I giravite da elettricista sono ricoperti fin quasi alla punta di plastica, è evidente che lo scopo dei costruttori sia quello di evitare che l’operatore prenda la scossa. D’altronde le applicazioni dei materiali plastici come isolanti elettrici sono così tante che perde di significato anche solo tentare di farne una lista. Negli ultimi anni però un crescente numero di ricerche ha messo in mostra la possibilità di ottenere polimeri conduttori attraverso semplici modifiche di comuni materiali, tali polimeri uniscono proprietà elettriche simili a quelle dei metalli ai vantaggi delle plastiche (leggerezza, resistenza alla corrosione, ecc.).
Recentemente mi trovo a lavorare su questo argomento all’interno di una ricerca più ampia e ho deciso di condividere con voi gli aspetti più interessanti (trascurando sapientemente i dati più soggetti a furto).
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I polimeri conduttivi
I primi prodotti plastici che conducevano elettricità erano comuni polimeri addizionati con polveri di metalli come rame, argento o oro oppure polveri di grafite capaci di diminuire la resistività del materiale. La dispersione di cariche (cosi cono chiamati i materiali aggiunti ai polimeri) è una pratica molto comune, lo scopo è quello di modificare le proprietà del materiale finale; nel caso specifico l’attenzione si pone sulla conduttività , ma spesso ci si concentra su caratteristiche diverse come l’elasticità, la resistenza alla trazione, ecc. Nel caso dei polimeri conduttori frazione della particelle può essere molto varia fino al 50% della massa totale. I materiali così ottenuti sono definiti polimeri estrinsecamente conduttori (ECP).
Se pensate che sia troppo facile rendere una plastica conduttiva aggiungendoci del metallo, non potrete porre obiezioni al passo successivo che la ricerca ha fatto; infatti un grande salto fu indubbiamente la scoperta è lo sviluppo dei polimeri intrinsecamente conduttori (ICP), polimeri che conducono da soli senza l’aggiunta di altro (o quasi…come si spiega in seguito). Questi polimeri devono le loro caratteristiche di conduttività a lunghe serie di doppi legami coniugati che permettono il trasporto di carica attraverso una risonanza dei legami lungo la catena principale, questa è costituita da uno scheletro costituito da legami σ (il normale legame singolo di un idrocarburo) e da un sistema di orbitali p ad esso ortogonali, che danno origine a legami π (il classico secondo legame nei legami doppi degli idrocarburi).
Il primo di tali molecole fu il poli-acetilene, il cui studio del 1977 valse nel 2000 il Nobel per la chimica a Heeger, McDiarmind e Shirakawa. Il poli-acetilene è appunto una semplice catena di legami sinigoli e doppi senza catene laterali o etero-atomi che dà luogo ad un esteso sistema π coniugato, responsabile delle sue proprietà di conduttore.
Nei sistemi coniugati i doppi legami “risuonano”: prendendo in considerazione 5 atomi di carbonio, i legami doppi che in un primo momento sono 1-2 e 3-4 passano a 2-3 e 4-5 e tornano indietro continuamente. Questo spostamento permette in particolari condizioni il trasporto di carica lungo la catena. Il fenomeno che permette i salti tra catene differenti è invece di difficile spiegazione e in parte presuppone principi di meccanica quantistica, ma avviene rapidamente e continuamente anche se favorito da alte differenze di potenziale.
Purtroppo il poli-acetilene degrada facilmente all’aria e all’umidità con conseguente scarsissimo interesse industriale; esso rimane comunque al centro di numerosi lavori sia teorici sia sperimentali, che sono stati base fondamentale per i successivi progressi in questo ambito.
Altri sistemi poli-aromatici (poli-parafenilene) e poli-eteroaromatici (poli-tiofene, poli-pirrolo) hanno una struttura polienica equivalente a quella del poli-acetilene ed in tal caso gli anelli etero-aromatici sono collegati tramite le posizioni α. Osservando queste catene polimeriche si può comunque individuare un percorso che dalla testa alla coda sia composto solo dall’alternanza di legami singoli e doppi, che come avrete ormai capito sono conditio sine qua non del fenomeno in questione.
La conduttività porta con sé altre proprietà anche esse collegate alla quantità degli orbitali π, che hanno aperto ulteriori vie applicative per questi materiali. Tra le principali di queste proprietà secondarie troviamo senza dubbio il foto-cromismo (le nuove lenti per occhiali foto-cromatiche sono in realtà ricoperte di uno di questi polimeri) e i fenomeni di risposta alla luce polarizzata (rotazioni, accartocciamenti, rotture e incasimenti vari che avvengono sulla catena).
I ICPs per divenire semiconduttori necessitano di essere addizionati con sostanze che “destabilizzino” la loro struttura, in modo analogo a come si fa nel drogaggio dei semiconduttori tradizionali. Anche se questi polimeri possono essere considerati materiali semiconduttori, esistono fondamentali differenze con i materiali tradizionali. Le bande di energetiche peculiari dei polimeri conduttori non corrispondono a quelle di silicio e co. e invece di subire drogaggi mediante alterazione del reticolo cristallino, come invece accade nei semiconduttori inorganici, sono protagonisti di veri e propri processo redox. Il processo di drogaggio in un semiconduttore organico è quindi reversibile, anche se in modo non sempre banale, poiché i droganti semplicemente forniscono o sottraggono elettroni alle bande di energia del polimero.
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Le peculiarità di questi polimeri che uniscono processabilità, leggerezza, versatilità e resistenza delle materie plastiche a proprietà di conduzione e semi-conduzione fondamentali negli ambiti dell’elettronica e dell’ottica moderni, ha dato vita a molte ricerche soprattutto negli anni ottanta e novanta. Il risultato è un notevoli quantità di nuovi polimeri di sintesi molto più stabili del poli-acetilene a scapito della loro conduttività. Qualche esempio: poli-acetilene (PA), poli-parafenilene (PPP), poli-parafenilensolfuro (PPS), poli-parafenilenvinilene (PPV), poli-anilina (PANI), poli-pirrolo (PPy), poli-tiofene (PT), poli-isotianafene (PITN), poli-etilenediossitiofene (PEDOT), ecc.
La conduttività del poli-acetilene opportunamente drogato raggiunge conduttività dell’ordine di 103,5 S/cm. Processando alcuni polimeri (drogaggio, addizione di cariche, stiraggio, ecc.) si può aumentare la conduttività di qualche ordine di grandezza fino a conduttività che tendono (ma non raggiungono) a quelle metalliche (15 MS/m). Lo sviluppo di co-polimeri e le loro miscele permettono di regolare caratteristiche di conduzione e altre caratteristiche funzionali, ad esempio compositi poliacetilene-polietilene (base poli-etilene isolante con il 40-60% di poli-acetilene) possono dar luogo a materiali trasparenti ed elastici con significativa conduttività (60 kS/m).
Utilizzo dei ICPs
Gli utilizzi di questa categoria di polimeri sta andando via via crescendo. Agli iniziali utilizzi in banali anti-statici
Tra le applicazioni più interessanti, ma anche largamente diffuse, ci sono gli usi in monitor al plasma e nelle cosiddette smart windows. Il fenomeno “collaterale” sfruttato è l’elettrocromismo, la variazione di colorazione ed di intensità della stessa mediante la variazione di tensione a cui il materiale è sottoposto.
Alcune ricerche (tra cui la mia) vertono sulla possibilità di modificare questi materiali dopo la deposizione, ad esempio attraverso trattamenti elettromagnetici che trasformino il polimero da isolante in conduttore solo in alcune zone, questo permetterebbe di “disegnare” percorsi e circuiti elettrici e modulare proprietà in base all’irraggiamento.
I fenomeni in gioco vanno dalla perdita di catene laterali alla polimerizzazione foto-indotta, passando per le foto-isomerizzazioni; ovviamente le modifiche posso coinvolgere le caratteristiche secondarie di cui già si è parlato e i sistemi di modifica sono molti come ampia è la scelta tra i possibili polimeri.
Tra le difficoltà principali di questi studi c’è indubbiamente il notevole numero di fenomeni coinvolti e l’assenza di modelli matematici adatti a descriverne alcuni nei casi in esame (che in quanto reali sono molto complessi). Ad esempio usando sorgenti laser come fonti di radiazione elettromagnetica si ha a che fare con fasci elettromagnetici gaussiani e con la loro interazione con matrici non omogenee, fenomeni come diffrazione e scattering sono tra i fenomeni più semplici da controllare in questi casi a cui si aggiungono fenomeni di ottica non lineare come ad esempio l’effetto a doppio fotone.(…basta che se no mi rubate le idee
Conclusioni
E’ difficili prevedere che i polimeri in futuro possano sostituire conduttori e semi-conduttori classici, mai infatti potranno emulare alcune delle caratteristiche dei metalli (la conduttività offerta del legame metallico è superabile sono con sistemi che sfruttano fenomeni esotici come il tunneling o in condizioni termodinamiche severe). Indubbio è però il contributo che già hanno dato alle nuove tecnologia e i nuovi orizzonti che hanno aperto nei campi più svariati. Molte delle tecnologie studiate non verranno mai utilizzare o cadranno dimenticate a causa di altre soluzioni migliori in termini di prestazione e magari di costi, ma il loro studio potrà essere propedeutico per nuovi futuri sviluppi. Non dimentichiamo che gli studi iniziale su questi polimeri sono stati fatti in piena era del silicio e non hanno visto per anni applicazioni tecnologiche di rilievo, ma a distanza di decenni si trovano oggi al centro di un numero elevato di tecnologie che sono fulcro della nostra vita quotidiana.
Riferimenti
ICP’s campo tessile
I materiali polimerici conduttivi
Tesi Dot. NANOCOMPOSITI + ICPs
MODELLI DI CONDUZIONE
TRASPORTO ELETTRICO CAMPO MAGNETIZZANTE
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Il chimico insonne colpisce ancora! Bella lì!
Io preferivo l’articolo come l’avevi pubblicato la prima volta
Me lo sono perso. Cazzo.
Fatti mandare le screen.
L’ho linkato su G+ a suo tempo
Anche io molta meno fatica…
LOL
Poverina se l’è presa.
Troppo abituato ai : PAV : e poco abituato a
Coccolatelo per favore.
Diamogli fuoco prima che cominci a fare il simpatico con le rime.
Ma come una volta che scrivo un articolo che ti può essere utile…
Te l’ha detto tua mamma per esperienza o hai copiato e incollato da wikipedia?
Ah ovviamente intendevo per esperienza in cucina, non coi piselli. Cioè, oddio, i piselli ci sono anche in cucina ma penso se li faccia senza guanto. Cioè guanto non preservativo ma quelli che appunto intendevi da mettere sulle mani.
che bella mossa mettere in mezzo le mamme. Proprio a corto di argomenti eh?!
In tal proposito le foto della tua non ce le posti?
Boom! Headshot!
@nani trova l’errore!
Perché non sniperi tutto da solo?
Dammi il tempo di disseppellirla e le posto subito.
scusa, questo spiega il tuo interesse per la ghiandola mammaria…
Ma mica è morta. Ho la cucina interrata, così son tranquillo che non scappa.
Non sopporto più queste idee misogine e antiquate, non è giusto nei confronti di noi donne!
Dateci una cucina ben equipaggiata, magari con un piccì ed accesso ad internet (io sono stata viziata con una console anche), e non ne usciremo mai volontariamente!
Smettetela con queste affermazioni maschiliste secondo cui le donne uscirebbero dalla cucina.
…@mgnever sei proprio una sagoma! I fratelli Marx (sopratutto Karl) si staranno rivoltando nella cucina interrata dalle risate
Io seguirei comunque il consiglio di @nani e darei alla tua mamma underground
e magari un web-cam così ci manda da sola foto e video!
Si però @petrus se manda video e foto più che #nsfw vanno taggare #2012.
Sguazzo nei polimeri da una vita: articolo notevole!
Complimenti Petrus, tu e mgnever mi fate squartare dalle risate.
Al prossimo convegno sulle tecnologie dei polimeri chiederò di farvi relazionare qualcosa di particolarmente palloso (a pagamento, ovvio). Sicuramente i partecipanti non si abbiocchereranno a grappoli come al solito.
Pigliati un po’ di biscottini
LoL era molto meglio l’articolo “1 immagine e 0 tag”
Devo dire che ho capito tutto. Sarà che ho sempre avuto una spiccata propensione verso la chimica, ma il tutto era ancora ad un livello che mi permettesse di comprendere. Il che in teoria è un bene, ma in pratica no, perchè io mi fappavo sul libro di chimica e c’è un mucchio di roba che secondo me andava sotto approfondimento. Divulgazione, strana parola.
Finalmente altre fonti oltre a wikipedia, sia lodato il cielo ( @mokkori se scrivo una preghierina e di fianco una bestemmia, si bilanciano, giusto?) ne sentivamo proprio la mancanza,
PS Il mantello di Batman, nel film, è fatto con la merda in questione, giusto?
PPS Le immagini son messe a culo, forse era meglio usarle nel testo che farci una gallery, son mica poppe.
Concordo. @petrus, io che un po’ di chimica l’ho studiata riesco a capirci qualcosa delle immagini, ma buttate là in galleria con solo mezza didascalia sono un po’ ostiche per chi non ci capisce almeno un minimo
Io non credo fosse il caso di approfondire di più di così. Se ritieni però posso rispondere e approfondire qualcosa visto che è lavoro di tutti i giorni per me, eventualmente accetto suggerimenti per articoli.
P.S.:Ahh (sospiro)! Wikipedia… ne con lei ne senza di lei!
No, proprio il contrario, secondo me una bella fetta dell’articolo andava in approfondimento.
PS si scrive “nè”
hai ragione ho sbagliato, chiedo venia!
.
…comunque è né non nè se vogliamo proprio fare i
@artemism no, si scrive “né”
Chi se ne fotte, il punto è che ci va l’accento.
Tutta colpa di quelli di Leganè
Chì?
LoL io quando ho letto nè ho pensato proprio a loro
Ma chi quarzo sono questi qua di Lega Nè?
Davvero, chi qatso si credono di essere?
Io però toglierei l’immagine di testa dalla gallery per farla pari, la caricherei con l’uploader e la sostituirei.
Ho fatto qualche modifica per le foto, magari così è meglio. Grazie
(Se ho più tempo più tardi faccio qualche altra miglioria)
@petrus fossi in te leverei anche quel tag “Uncategorized”…
Ooops…
LOL.
Troppi approfondimenti inutili, togli tutti i tag more, non aver paura degli articoli lunghi che come detto più volte non sono un problema.
A casa mia e’ a doppio fotone, correggi…
Hai ragione anche a casa mia è così.
Prima cosa che ho pensato leggendo il titolo
Favvato 
Solo che non sai che fatica farlo in modo che sia utile, economico, facile,bello, elegante, profumato, veloce, pulito,ecc. come vogliono i finanziatori e i committenti…
Gran bell’articolo, mi è stato detto a lezione di Elettrochimica che è possibile rivestire degli elettrodi con dei polimeri i quali per processi redox possono passare dal’essere conduttivi al diventare isolanti per fare quindi da coatings. Volevo chiederti è possibile realizzare dei polimeri in grado di modificare la propria struttura in maniera reversibile se soggetti ad un tipo di segnale?
In generale è possibile, tutto sta a definire cosa si intende come “segnale”.
Qualcosa lo trovi anche nell’articolo, comunque…
In generale si parla di radiazioni elettromagnetiche, ma alcune modifiche possono essere fatte per variazioni di temperatura e/o pressione, per cambiamenti di ambiente chimico e in certi casi anche fenomeni di magnetismo (per lo più in sistemi con cariche metalliche). Due sono le principali variazione possibili: riduzione del trasporto di carica intra-catena (spesso diminuendi o impedendo la delocalizzazione π) o inter-cetena.
Il problema non è tanto se si riesce a cambiare la conduttività di un polimero, ma è quanto si riesce a modificarla. Per capirci se un filo di plastica ha una conduttività σ= 10^-15 S/cm abbiamo un forte isolante. Se riuscissimo a salire di 5 ordini di grandezza, saremmo ancora negli isolanti. Con un salto di 10 ordini ci sembrerebbe di aver fatto un grande lavoro, ma avremmo in mano ancora un semi conduttore (forse ci basta…). Per arrivare ad aver in mano qualcosa che conduca davvero (nel senso pratico-utile del termine) dovremmo fare un salto di almeno 15 ordini di grandezza…. che è già più impegnativo. Per questo spesso si usano miscele di polimeri, cariche, nanotubi, grafene, ecc. per cercare di ottenere sistemi che rispondono nel modo adatto per un tipo di utilizzo, il che ovviamente non comporta siano adatti per altre applicazioni.
Quando lo ritrovo metto un link ad una tesi di dottorato on-line che tratta la cosa in modo mooolto dettagliato.
Thx per la risposta. Come segnale intendo qualsiasi entità(misurabile) in grado di modificare il sistema. Durante le lezioni più che altro si è vista la cosa dal punto di vista elettrochimico e elettro-analitico ed è per questo che il mio approccio è sempre dal punto da vista diagnostico o comunque a livelli di elettrodi rivestiti di questi materiali polimerici. Dato che studio scienza dei materiali sono parecchio interessato all’argomento e il link sarebbe davvero utile!
Lunedì cerco di rintracciare del materiale… più che altro di selezionarlo.
Sì, sì, carino, ma era meglioprima™.
Favvato.
OK, meglio non farci i cacciaviti con quelli