Poliacetilene: un polimero conduttore dalla struttura unica
Il poliacetilene (PA) è uno dei polimeri conduttori più conosciuti, caratterizzato dalla formula molecolare (-C2H2-)n. Questo polimero è stato il primo a dimostrare un’elevata conduttività, paragonabile a quella dei metalli, quando esposto a agenti ossidanti come il vapore di iodio.
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La storia dietro la scoperta del poliacetilene
Nel 1958, il chimico Giulio Natta sintetizzò il poliacetilene utilizzando il tritiilalluminio e il propossido di titanio per ottenere polimeri ad alto peso molecolare. Tuttavia, questa prima forma di poliacetilene era insolubile, sensibile all’aria, infusibile e poco conduttiva. Fu solo grazie al metodo sviluppato dal chimico giapponese Hideki Shirakawa, Premio Nobel per la Chimica nel 2000, che la conduttività del polimero aumentò significativamente.
Struttura del poliacetilene
La struttura del poliacetilene è caratterizzata da una lunga catena di atomi di carbonio con legami semplici e doppi alternati. Grazie all’ibridazione sp2, gli atomi di carbonio formano tre legami σ. Gli orbitali p parallelamente disposti e perpendicolari al piano dei legami σ consentono lo scambio di elettroni e lacune, favorendo la conduzione del materiale.
Coniugazione e conduzione del poliacetilene
Con l’aumento della coniugazione, il poliacetilene presenta bande di valenza e di conduzione quasi isoenergetiche. Grazie all’alternanza di legami σ e π, il polimero mostra legami coniugati. I legami semplici flessibili consentono varie conformazioni, ma quella planare è la più comune poiché favorisce la coniugazione.
Sintesi del poliacetilene
Il poliacetilene può essere prodotto attraverso la polimerizzazione ossidativa dell’acetilene, un processo che porta alla sua struttura unica e alle sue proprietà conduttive. Questo polimero ha rivoluzionato il campo dei polimeri conduttori e continua a essere oggetto di studi e applicazioni innovative.
Sintesi del Poliacetilene e Catalizzatori
Attualmente, l’industria produce poliacetilene attraverso la polimerizzazione per metatesi con apertura dell’anello (ROMP). In questo processo, una miscela di olefine cicliche viene trasformata in un materiale polimerico. Sebbene sia teoricamente possibile partire da ciclobutadiene o benzene, la scelta comune per il monomero è il cicloottatetraene, che evita l’uso dell’acetilene altamente infiammabile.
La ricerca dei catalizzatori adatti per questa polimerizzazione è stata intensa a causa della scarsa tensione dell’anello nel cicloottatetraene. I catalizzatori di Grubbs di seconda generazione, così nominati in onore del chimico Robert Howard Grubbs, sono una delle soluzioni trovate per questa sfida. Questi catalizzatori a base di complessi carbene-metallo di transizione sono ampiamente impiegati nelle polimerizzazioni per metatesi con apertura dell’anello.
Proprietà del Poliacetilene Dopato
Una delle proprietà più rilevanti del poliacetilene dopato è la sua elevata conducibilità elettrica, che può essere incrementata di diverse volte rispetto al materiale non drogato. Tuttavia, nonostante sia flessibile e leggero, il poliacetilene è anche fragile e difficile da lavorare a causa della sua vulnerabilità alla degradazione ossidativa. Inoltre, è in grado di assorbire ed emettere luce, caratteristica che lo rende interessante per applicazioni in dispositivi optoelettronici.
Anche se è sensibile alle condizioni ambientali, il poliacetilene trova impiego in varie applicazioni come le celle solari organiche e le batterie. Tuttavia, le sue applicazioni pratiche sono limitate dalle sfide legate alla sintesi, lavorazione e alla stabilità del materiale. Al momento, si stanno studiando nuove possibilità per utilizzarlo in dispositivi di accumulo di energia, come batterie e supercondensatori.
Grazie alla sua capacità di modificare le sue proprietà elettriche in risposta a differenti ambienti chimici, il poliacetilene è in fase di test come materiale per sensori. Inoltre, nel settore dell’optoelettronica, si stanno esplorando le potenzialità del poliacetilene in dispositivi come LED e fotovoltaici.
