En general, la idea que se tiene de los plásticos es que no conducen la electricidad. De hecho, algunos son excelentes aislantes, como los aerogeles o la baquelita, y esa propiedad les otorga un valor determinante o adicional en las aplicaciones en las que se utilizan. Sin embargo, otros son semiconductores o conducen la electricidad solo en ciertas condiciones (por ejemplo, un hidrogel hinchado con la disolución adecuada puede ser un buen conductor iónico). Pero lo sorprendente es que haya plásticos que tengan una conductividad del orden de la de algunos metales. Uno de los que más se han estudiado es el poliacetileno (o polietino).
El descubrimiento de las propiedades conductores de este material fue serendípico. El japonés Hideki Shirakawa, cuando recibió por ello el premio Nobel de Química en 2000, explicó que en las instrucciones escritas que le dio a un investigador coreano que trabajaba con él en el laboratorio para preparar poliacetileno “quizá olvidé la m de mmol o quizá él leyó mal”. Otros dicen que el coreano no hablaba bien japonés y no entendió bien lo que se le dijo sobre la síntesis del material. Lo cierto es que agregó una cantidad de catalizador muchísimo más alta que la utilizada hasta entonces. Gracias a ese error, en vez de obtener el habitual poliacetileno negruzco y pulverulento que ya conocían, se formó una película de brillo plateado. Se vio que su naturaleza química correspondía al trans-poliacetileno, compuesto familiar para aquellos investigadores. Pero la novedad era su extraño aspecto metálico y sus propiedades conductoras, que se atribuyeron a algún mecanismo inducido por el exceso de catalizador empleado. Más tarde comprobaron que realizando el experimento a temperaturas muy bajas se obtenía el isómero cis, igualmente en forma de película de aspecto metálico, en este caso de color cobrizo, también conductora. En la figura 6.18 se muestran las estructuras químicas del cis y el trans-poliacetileno.
Luego se averiguó que cuando estos polímeros están en estado puro son poco conductores. Para que conduzcan bien la electricidad han de ser sometidos a un proceso de dopaje. Para entender cómo se realiza y funciona el dopaje debemos considerar previamente en detalle la estructura electrónica de estas macromoléculas. Como se ve en la imagen 6.18, constituyen lo que se llama un sistema conjugado, consistente en la alternancia de enlaces simples C–C y dobles C=C. Cada C utiliza tres orbitales híbridos sp2 para unirse a los dos C adyacentes y un H (esto se ilustra en la figura 5.30). En cada uno de esos orbitales híbridos el C tiene un electrón; la compartición de los tres electrones correspondientes con los átomos vecinos le permite al C formar enlaces s (es decir, por solapamiento frontal) con sus vecinos. El orbital p que le queda al C se dispone perpendicularmente al plano que forman los orbitales sp2. Como hay un electrón en este orbital, el C puede formar un enlace p con uno de los C vecinos. Eso explica el doble enlace que aparece de forma alternada en la molécula.
Como es sabido, los electrones que forman un enlace s C–C están muy localizados entre ambos átomos de C. Esto quiere decir que son muy fijos. Su falta de movilidad les impide transportar corriente eléctrica. Sin embargo, los electrones de los enlaces p tienen más movilidad. Ahora bien, en el poliacetileno la movilidad de los electrones p es mucho más baja que en el grafito (apartado 5.10). Las características de los enlaces del grafito son distintas a las del poliacetileno. En el grafito existe resonancia y todos los enlaces C–C tienen la misma longitud; en el poliacetileno no hay resonancia, sino conjugación de enlaces sencillos y dobles (los dobles son más cortos que los sencillos). Por ello, aunque el grafito es buen conductor, el poliacetileno solo es semiconductor. Sin embargo, convenientemente dopado se convierte en un excelente conductor de la corriente eléctrica.
De forma análoga al silicio semiconductor de las células solares (apartado 5.7), el poliacetileno puede convertirse en conductor añadiéndole un dopante que actúe de uno de dos modos: o quitando electrones al material, es decir, oxidándolo, o donándole electrones, o sea, reduciéndolo. El dopaje oxidativo, también llamado tipo p (de positivo) es el más empleado. Un dopante oxidativo muy común es el yodo (I2), que atrae electrones de los enlaces p y puede incluso arrancarlos, convirtiéndose en ion yoduro (I–). El dopaje reductor o tipo n (de negativo) se realiza añadiendo una especie química que aporte electrones al polímero (como el naftalenuro de sodio)[2],[3].
El mecanismo por el que se produce la conducción se explica a continuación. La teoría de orbitales moleculares establece que, en una molécula, los orbitales atómicos se combinan entre sí para formar orbitales moleculares de dos tipos: enlazantes y antienlazantes. Los electrones que aportan los átomos se colocan en los orbitales moleculares de la molécula. Para que sirva de referencia, en la figura 6.19-izqda. se ha representado la formación de orbitales moleculares en la molécula de dicarbono, C2, según la teoría de orbitales moleculares.
En el poliacetileno, los electrones de los orbitales p de los carbonos se colocan en orbitales moleculares que se denominan p y son del tipo enlazante, lo que explica el enlace p que existe en esta molécula y del que se habló antes. Ahora bien, como el material contiene muchos átomos de C, existen muchos orbitales moleculares p con energías muy próximas que forman una banda de energía (como se explicó en el apartado 4.1 y se visualiza en la figura 4.3 de dicho apartado). En el poliacetileno esta banda (que se llama banda de valencia) está completamente llena de electrones (fig. 6-19-dcha.). Pero también se forma una banda de orbitales moleculares de mayor energía que se llama p* y que es del tipo antienlazante. Esta banda (llamada de conducción) está vacía. Entre ambas bandas hay una brecha de energía que tendrían que saltar los electrones situados en la banda de valencia para pasar a la de conducción y poder conducir la corriente. Por eso, el poliacetileno sin dopar es semiconductor.
La teoría de bandas establece que las bandas llenas no conducen la electricidad, pero sí las que no están completamente llenas. Por lo tanto, si se retiran electrones de la banda de orbitales p, el poliacetileno se volverá conductor. Ese el objetivo del dopaje oxidativo. Y también se volverá conductor si se colocan electrones en la banda p*; así es como se procede en el dopaje reductor.
La conductividad eléctrica del poliacetileno dopado es bastantes órdenes de magnitud mayor que la del poliacetileno puro. Esta conductividad se produce a lo largo de las cadenas (no perpendicularmente a ellas), por lo que el material será más conductor si sus cadenas están alineadas (esto se puede conseguir por estiramiento).
Además del poliacetileno existen otros plásticos conductores cuyas macromoléculas también consisten en sistemas de enlazamientos conjugados. En la imagen 6.20-izqda. se muestran algunos, comparándose su estructura con la del poliacetileno.
El descubrimiento de los polímeros conductores supuso un gran avance porque pueden reemplazar en algunas ocasiones a metales y aleaciones con ventajas derivadas de ser mecánicamente flexibles y de moldeado versátil. Sus aplicaciones son muchas. Cuando se intercalan entre dos electrodos se pueden obtener diodos emisores de luz (ledes) (apartado 8.8) orgánicos, que son delgados y flexibles, pesan poco, requieren escasa potencia y proporcionan un ángulo de visión grande en pantallas fabricadas con ellos (figura 6.20-dcha.).
También son los componentes principales de las llamadas baterías poliméricas (o baterías de plástico; no confundir con las baterías de polímero de litio). La primera batería polimérica fue fabricada a finales del siglo pasado. Constaba de cinco elementos: dos hojas de soporte de teflón, un ánodo de poli(3,4,5-trifluorofeniltiofeno), un cátodo hecho de poli(3,5-difluorofeniltiofeno) y un electrolito de gel permeable que contiene un compuesto orgánico de boro. Es del tamaño de una tarjeta de crédito y puede generar 2,5 voltios[5].
[1] Imagen: Cis-and-trans-polyacetylene-chains-symmetric-8-based-on-xtals-3D-bs-17.png. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Cis-and-trans-polyacetylene-chains-symmetric-8-based-on-xtals-3D-bs-17.png&oldid=546778264.
[2] D. E. Newton. Chemistry of New Materials. Facts On File (2007).
[3] A. G. MacDiarmid et al. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 314 (1985) 3-15. https://doi.org/10.1098/rsta.1985.0004.
[4] Imagen: Sony oled.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Sony_oled.jpg&oldid=614328089.
[5] D. E. Newton (op. cit.).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
