Plásticos eléctricos

Los plásticos eléctricos constituyen un subgrupo de los denominados materiales eléctricos, concretamente el de los polímeros o "plásticos" con propiedades eléctricas útiles. Aunque, en general, en este tipo de materiales plásticos sólo se suelen incluir aquellos que son conductores o semiconductores, pues son éstos los que están teniendo más atención por parte de las grandes empresas, es razonable considerar también a todos aquellos plásticos que poseen permitividades útiles, por ejemplo aquellos que actúan como aislantes, dieléctricos para condensadores, agentes encapsulantes, adhesivos y materiales para la fabricación de circuitos electrónicos. Algunos de estos usos son bastante simples en un sentido químico, pero son necesarios como partes integrales de los procesos completos de embalaje y protección de circuitos integrados frágiles pues evitan su daño, al prevenir, entre otras cosas, los efectos perjudiciales de la humedad y corrosión.

A los plásticos eléctricos también se los conoce con el nombre de materiales eléctricos orgánicos pues están constituidos por macromoléculas cuya cadena principal está formada por átomos de carbono unidos entre sí por enlaces covalentes. Este tipo de nuevos materiales ha surgido como sustituto, en ciertas aplicaciones, de otros materiales inorgánicos eléctricos más convencionales como el cobre o el silicio, despertando un extraordinario interés al tener adicionalmente a sus propiedades eléctricas tan deseadas otras que no poseen los materiales inorgánicos convencionales como son: flexibilidad, baja densidad y bajo coste.

Hoy en día, dentro de todo el conjunto considerado como plásticos eléctricos, quizás, lo que más sobresale desde un punto de vista puramente innovador, es lo que se ha venido en llamar "electrónica de plástico". El sentido de este término surge debido a que son materiales poliméricos semiconductores los que se barajan como potenciales sustitutos de los convencionalmente utilizados en la industria electrónica, fundamentalmente el silicio, abriéndose la posibilidad de utilizarlos para la creación, entre otros componentes, de rectificadores y transistores plásticos (Figura 1). Entre los polímeros que destacan en relación a sus conductividades eléctricas para este tipo de aplicaciones, se pueden incluir poliacetileno, poliparafenileno, polipirrol, politiofeno y polianilina y derivados, todos, en general, alterados electrónicamente (por aportación o extracción de electrones) mediante la utilización de agentes oxidantes o reductores o de técnicas electroquímicas. De la misma manera que en los semiconductores inorgánicos, estos polímeros pueden ser de tipo n (más electrones libres) o de tipo p (más huecos) según haya sido el tratamiento oxidante o reductor.

Posiblemente los plásticos nunca alcancen la velocidad de cálculo del silicio, sin embargo, sí se podrán utilizar en aplicaciones a las que el silicio probablemente nunca podrá llegar, por ejemplo, libros electrónicos, etiquetas de identificación de radiofrecuencias ultrabaratas, pantallas de bajo coste, incluso desechables, componentes de teléfonos móviles, etc. Además, otros usos de plásticos conductores que los hacen tan interesantes incluyen fotocélulas, sensores químicos y materiales sensibles a la presión. La "electrónica de plástico" también está teniendo un impacto importante debido a la reciente aparición de pantallas que utilizan diodos orgánicos luminosos. La capa activa de los diodos orgánicos luminosos es un material orgánico fluorescente (un polímero sintético específico o pequeñas moléculas fluorescentes) que emite luz cuando una corriente eléctrica pasa a través de él.

Figura 1.- Placa de circuito integrado con 256 elementos. Cada píxel está formado por un transistor orgánico con una longitud de canal menor de 20 micrómetros. Imagen obtenida de: Dodabalapur A. Materials Today, 9(4), 24 (2006).

A parte de su flexibilidad, baja densidad y bajo coste, otra ventaja de los plásticos eléctricos es la sencillez de su procesado que permite obtener con facilidad piezas con geometrías complejas. Además, se podría pensar incluso en la impresión de circuitos con polímeros líquidos mediante la utilización de impresoras de tinta. Por tanto, el diseño de materiales específicos (síntesis) y el desarrollo de sólidos procesos de impresión para la fabricación de estos dispositivos son desafíos claves para su puesta en práctica. La fabricación de "chips" de silicio lleva semanas de trabajo debido a la utilización de procesos complejos y caros como la fotolitografía o la deposición de vapor, de ahí que la electrónica de plástico se esté empezando a introducir en el mercado con previsiones extraordinarias, no sólo respecto a sus prestaciones únicas, sino también en términos de abaratamiento de costes.

En estos momentos, existe una carrera científica vertiginosa en cuanto a la búsqueda de los materiales plásticos ideales para todo tipo de aplicaciones eléctricas. Algunos investigadores nos hablan de moléculas orgánicas que son capaces de auto-organizarse en capas ultrafinas (menos de seis nanómetros) para su uso en los componentes dieléctricos o no conductores de un transistor. Otros, de polímeros semiconductores como los poly (3-hexiltiofenos) para su uso como transistores orgánicos que permitan encender y apagar la luz de los diodos orgánicos de los que se habló más arriba. Otros, proponen materiales híbridos compuestos por semiconductores inorgánicos y polímeros consiguiéndose así nuevos materiales fácilmente procesables con una eficiencia energética aceptable para utilizarse como células solares... Sin embargo, todavía existen retos que alcanzar, por ejemplo, la obtención de plásticos con conductividades más altas o con propiedades eléctricas específicas para aplicaciones concretas. Según lo anterior, en términos de investigación es crucial pues la síntesis de nuevos polímeros, su análisis estructural y caracterización, así como la de nuevos materiales compuestos de matriz polimérica con especiales propiedades eléctricas, ópticas y electro-ópticas. Además, es importantísimo controlar todos los aspectos relativos a la procesabilidad de los nuevos materiales considerados. Por tanto, los aspectos científicos más importantes a cubrir se enmarcan dentro del entendimiento fundamental de las relaciones síntesis-procesado-estructura-propiedades de los materiales orgánicos eléctricos y esto se consigue, en general, a través de la utilización de técnicas de caracterización especiales, por ejemplo: técnicas electro-ópticas, de medidas fotofísicas, microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, microscopía de fuerza atómica y técnicas para realizar medidas eléctricas "in-situ".

Otra manera de abordar los problemas que todavía están por resolver contempla la búsqueda de sinergias entre materiales distintos. Hablamos de la preparación de nuevos materiales compuestos. De ahí que uno de los campos de investigación que más interés está mostrando sea el de la obtención de materiales nanocompuestos en los que un "plástico", la matriz, está relleno de nanopartículas con propiedades eléctricas específicas.

Un ejemplo son los materiales compuestos conductores formados por polímeros rellenos de partículas conductoras pues pueden ofrecer un amplio espectro de propiedades útiles para la producción de electrodos sensibles, materiales para apantallamiento de radiaciones electromagnéticas y sensores de presión, deformación y temperatura. La cantidad de relleno conductor generalmente da lugar a una transición desde un estado no conductor a un estado conductor a partir de un umbral de fracción en volumen. A esta fracción en volumen mínima necesaria para construir un camino conductor dentro de la matriz polimérica se la denomina umbral de percolación. Entre otros aspectos, en estos casos lo que se busca es preparar materiales compuestos con un contenido mínimo de relleno, que permita preservar las propiedades mecánicas, ópticas, etc. del polímero junto con la mayor conductividad eléctrica posible. Se ha encontrado que existe una dependencia importante entre la forma de las partículas y el umbral de percolación, disminuyendo éste a medida que la relación de aspecto aumenta. De ahí que muchos investigadores piensen que, uniendo características de baja densidad y gran relación de aspecto, la utilización de nanotubos de carbono sea una de las mejores opciones.

Figura 2.- Imagen de microscopía de fuerza atómica donde se muestra una extraordinaria dispersión de nanopartículas de sílice (14 nm de diámentro) en polimetilmetacrilato. El proceso de mezcla utilizado fue molienda mecánica de alta energía.

Otras aplicaciones buscadas con la combinación de polímeros y partículas es la de permitividades adecuadas para su utilización como dieléctricos en condensadores. Debido a sus propiedades hoy en día se están realizando estudios sobre mezclas de nanopartículas de sílice u óxido de titanio o titanato de bario con polímeros termoplásticos como polimetilmetacrilato, polietileno y polipropileno. Sin embargo, en general, estas propiedades buscadas sólo se pueden conseguir si existe una adecuada dispersión de las nanopartículas en el interior del polímero que actúa como matriz, algo que realmente es difícil de conseguir. En general, se acepta que las mezclas de polímeros orgánicos con partículas inorgánicas dan lugar a una separación de fases con aglomeración de partículas que posteriormente se traduce en propiedades pobres. Por este motivo, para conseguir una buena dispersión se han intentado muchos métodos, por ejemplo: i) modificación química superficial de las nanopartículas; ii) modificación química del polímero matriz generando grupos funcionales específicos; iii) polimerización "in situ", dispersando las nanopartículas en un monómero y después polimerizando la mezcla y iv) creación de nanopartículas dentro de la propia matriz polimérica por métodos convencionales de sol-gel.

En general, estos métodos se basan en el procesado de los materiales en disolución o estado fundido. Sin embargo, principalmente cuando las partículas tienen diámetros por debajo de los 50 nanómetros, realmente es muy difícil obtener una mezcla homogénea si la cantidad de relleno supera el 5% en peso o los polímeros que se utilizan tienen una viscosidad elevada en estado fundido. Por este motivo son necesarios nuevos métodos que permitan alcanzar estos requisitos en términos de dispersión. Los métodos denominados de estado sólido como por ejemplo la molienda mecánica de alta energía podrían ser una buena alternativa (Figura 2) aunque se ha comprobado que las cadenas del plástico se rompen. Por esta razón todavía queda mucho por estudiar y mucho por encontrar.

Es evidente pues, la potencialidad mostrada por los polímeros, o en términos más populares, los plásticos, como materiales eléctricos de futuro; no obstante, todavía queda mucho camino por recorrer. Y este camino no debe constreñirse al más que necesario estudio en profundidad de dichos materiales, sino que también debe abrirse a la búsqueda de nuevas aplicaciones, entre otras, aquellas en las que los plásticos ofrezcan más ventajas de las que nos dan los materiales que hoy en día se están utilizando, es el caso del silicio y otros semiconductores.