La plastica che conduce #LegaNerd


Spoiler
Una prima versione di questo articolo ha avuto dei problemi, mentre mettevo a posto delle immagini devo averle inavvertitamente pubblicate… non so neanche come.
Ringrazio chi ha capito, su gli altri la natura si è accanita già sufficienza…

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).
Mostra Approfondimento ∨

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.
Mostra Approfondimento ∨

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 cui i famosi guanti per segaioli) si sono aggiunti quelli in LED organici (OLED), in sensori, in sistemi a guida d’onda, in radar, in pannelli fotovoltaici organici, in sistemi a rilascio controllato di farmaci a sistemi biologici, in tessili “hi-tec” e in diverse altre applicazioni optoelettroniche. Tra le motivazioni che spingono verso questi polimeri c’è il tentativo di superare i limiti tecnologici imposti da l’uso dei semiconduttori inorganici, che oggi diventano un grave limite tecnologico. In particolare il tanto temuto nel settore elettronico limite di utilizzo del silicio ha spinto la ricerca a rivolgersi ad altre tecnologie in cui i ICPs sono in compagnia di nanotubi, grafene, molibdenite,indio-gallio-arseniuro e altri. Spesso le soluzioni più promettenti sono costituite da sistemi composti dalla “somma” di queste tecnologie, ad esempio matrici di ICPs con all’interno cariche conduttive (metalli, nanotubi e grafene).
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 e il Nobel).

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

[nggallery id=406]

Aree Tematiche
Chimica Fisica Select Tecnologie
Tag
venerdì 17 febbraio 2012 - 0:30
Edit

Lega Nerd Podcast

Lega Nerd Live

LN Panic Mode - Premi "P" per tornare a Lega Nerd