Avances de la electrónica orgánica en sensores / Revista Elementos BUAP

El desarrollo de nuevos materiales para su uso en nuestra vida cotidiana ha marcado la pauta en el avance de nuevas tecnologías, las cuales han tenido un impacto significativo al mejorar la calidad de vida de nuestras sociedades. Asimismo, el progreso tecnológico, la productividad y el crecimiento económico de nuestra especie han estado estrechamente ligados al descubrimiento e implementación de nuevos materiales. La fabricación en el laboratorio de macromoléculas, compuestas por cadenas de unidades químicas repetitivas llamadas monómeros, denominadas polímeros sintéticos (para diferenciarlos de los polímeros naturales, tales como el caucho o la celulosa) ha representado un avance en múltiples áreas de investigación, lo que ha permitido su aplicación en diversas tecnologías.

     Los polímeros son materiales que han modificado radicalmente nuestra vida; su síntesis en laboratorios viene desde el siglo XIX, cuando Charles Goodyear modificó el caucho, que es un polímero natural, para obtener uno sintético. Al calentar el caucho en presencia de azufre obtuvo el llamado caucho vulcanizado, que hasta el día de hoy se usa en los neumáticos de los automóviles.El primer material termoplástico patentado fue el celuloide, que es un polímero obtenido de la nitrocelulosa mezclada con alcanfor, patentado en 1870. Este material fue descubierto años antes por John Wesley Hyatt, quien buscaba reemplazar el marfil para fabricar bolas de billar.

     No fue hasta 1903 cuando se creó el primer polímero verdaderamente sintético, es decir, uno que no dependía de un producto natural modificado. Este fue la resina fenólica o baquelita, llamada así en honor a su inventor, el químico belga Leo Baekeland. Desde entonces, muchos polímeros se han sintetizado y han pasado a formar parte fundamental de nuestra vida cotidiana, por ejemplo, el tereftalato de polietileno (PET), el cloruro de polivinilo (PVC), el poliestireno, el nailon, entre muchos otros. Estos polímeros son conocidos por su flexibilidad, término que se refiere a la capacidad de doblarse sin romperse, adaptándose a diferentes condiciones.

     Por esta razón se les conoce comúnmente como plásticos. Actualmente, los polímeros se emplean para fabricar bolsas y botellas, y para aislar cables conductores de electricidad, ya que son materiales eléctricamente aislantes.En la década de 1970, los estadunidenses Alan Heeger y Alan MacDiarmid, junto con el japonés Hideki Shirakawa, descubrieron que ciertos polímeros podían adquirir conductividad eléctrica tras ser modificados.

     En particular, encontraron que un polímero, el poliacetileno, podía conducir electricidad mediante ciertas modificaciones, aunque inicialmente su conductividad era muy baja en comparación con la de los polímeros actuales. La modificación que permite este cambio es la oxidación (remoción de electrones) del poliacetileno al ser “dopado” con floruro de arsénico o con iones halógenos. Esto provoca que las cadenas del poliacetileno queden cargadas positivamente, y estas cargas generan una corriente eléctrica cuando se polarizan con una fuente externa. A pesar de que este material pudo conducir una cantidad de electrones que hoy parece pequeña, este descubrimiento representó un nuevo horizonte para el uso de los polímeros sintéticos. Además, abrió una línea de investigación que hoy se conoce como electrónica orgánica, ya que los polímeros están compuestos principalmente por carbono, es decir, forman parte de la materia orgánica (Chiang et al., 1977).

     Hideki Shirakawa, Alan Heeger y Alan MacDiarmid fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2000

[...] por su revolucionario descubrimiento de que los plásticos pueden ser eléctricamente conductivos tras ciertas modificaciones [...]” (NobelPrize.org, 2024).

     Estos científicos demostraron que los polímeros, para poder ser conductores, deben presentar en su estructura una disposición alternada de enlaces dobles y simples entre átomos de carbono, conocida como conjugación π, lo que permite el flujo de cargas eléctricas a través de las cadenas del polímero.

     Para aumentar la conductividad eléctrica de los polímeros semiconductores es necesario realizar un dopaje, ya sea por medios químicos o electroquímicos. En general, en un sólido, el dopaje consiste en procesos de oxidación (extracción de electrones de la banda de valencia) o reducción (adición de electrones a la banda de conducción), lo que produce materiales con dopaje tipo p (con cargas positivas) y dopaje tipo n (con cargas negativas), respectivamente. Estos procesos se logran mediante la interacción con agentes oxidantes o reductores. Esto significa que al polímero se le puede cargar eléctricamente, permitiendo su dopaje con cargas negativas (electrones) o positivas (huecos) a través de las cadenas del polímero, lo que genera una corriente eléctrica. Sin embargo, lo que ocurre en los polímeros orgánicos es algo diferente a lo que sucede en los inorgánicos, que tienen bandas de valencia y conducción bien definidas.

     En los polímeros, los átomos vecinos forman bandas de energía continuas debido al traslape de sus orbitales moleculares. Los orbitales ocupados (con cargas eléctricas) se encuentran en un nivel energético menor, y los desocupados, en uno mayor, separados por una banda energética prohibida. La conducción eléctrica de los polímeros depende del llenado de estos orbitales.

     El proceso de dopaje antes explicado provoca la creación de cuasipartículas llamadas polarones, que son esencialmente cargas eléctricas acompañadas de un campo de polarización que genera una distorsión estructural en los orbitales moleculares del polímero orgánico. Estas deformaciones estructurales pueden moverse a lo largo de las cadenas del polímero y actuar como portadores de carga, completándose así el proceso de conducción eléctrica.

     Por otra parte, debido a que los materiales orgánicos presentan un cierto grado de desorden, el proceso de transporte de carga también puede realizarse mediante tunelamiento electrónico o mediante el salto electrónico entre diferentes cadenas poliméricas. A pesar de tener una movilidad electrónica mil veces menor (por ahora) que la de la electrónica convencional principalmente basada en el semiconductor inorgánico silicio, se ha podido encontrar una gran variedad de aplicaciones para la electrónica orgánica.

     Los polímeros conductores muestran, por el momento, movilidades eléctricas comparables a las del silicio amorfo. Para tener una idea, el silicio amorfo, que tiene una menor cristalinidad (lo que reduce su conductividad eléctrica) en comparación con el silicio policristalino, y por lo tanto es más barato, se utiliza en paneles fotovoltaicos, pantallas de diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs), dispositivos de radiofrecuencia, entre otras aplicaciones.

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