Polimeri conduttivi: sintesi, proprietà, applicazioni

I polimeri conduttivi sono polimeri organici in grado di condurre elettricità e possono avere conduttività metallica o essere semiconduttori
I polimeri presentano, in genere, un’elevata resistenza alla conduzione elettrica risultando essere quindi degli isolanti.

Tuttavia negli anni ’70 sono stati sintetizzati e scoperti polimeri conduttivi  detti polimeri intrinsecamente conduttori. I ricercatori ne hanno esplorato le inusuali proprietà e i potenziali campi di applicazione fino a culminare con gli studi di Alan Jay Heeger, Alan Graham MacDiarmid e Hideki Shirakawa vincitori nel 2000 del Premio Nobel per la Chimica per la scoperta e lo sviluppo dei polimeri conduttivi.

Per essere elettricamente conduttivo un polimero deve avere elettroni liberi di muoversi come avviene per i metalli.

Sintesi dei polimeri conduttivi

La prima condizione per realizzare questo fenomeno consiste nell’ottenere polimeri in cui vi sia un’alternanza di doppi legami detti doppi legami coniugati come, ad esempio, nel poliacetilene

Questa condizione non è, tuttavia sufficiente, e, per diventare elettricamente conduttivo, il polimero deve essere dopato generando portatori di carica per parziale ossidazione (drogaggio di tipo p) con accettori di elettroni come I₂ e AsF₅ che inducono una vacanza elettronica che si comporta come una particella carica positivamente che si può spostare all’interno della catena polimerica o per parziale riduzione (drogaggio di tipo n) con donatori di elettroni come Na e K in modo che l’elettrone sia libero di spostarsi.

I vincitori del Nobel trovarono che un film sottile di poliacetilene poteva essere trattato con vapori di iodio  secondo la reazione:

[-CH-]_n +3x/2 I₂ → [-CH-]_n^x+ + x I₃^–

o con sodio secondo la reazione:

[-CH-]_n + x Na → [-CH-]_n^x- + x Na⁺

In entrambi i casi il polimero è quindi un sale, in cui non sono gli ioni I₃^– o Na⁺ a condurre la carica ma sono le cariche presenti sul polimero che fungono da portatori di carica.

Proprietà

Applicando un campo elettrico perpendicolare al piano della pellicola i controioni possono essere fatti diffondere dalla struttura o nella struttura. In tal  il polimero è in grado di condurre la corrente elettrica.

Un filo metallico attraversato da corrente elettrica dà luogo al fenomeno dell’incandescenza che poteva essere osservato accendendo una lampadina a filamento di tungsteno.

Nel caso di polimeri conduttivi invece si verifica il fenomeno dell’elettroluminescenza ovvero un particolare tipo di luminescenza che è il risultato della ricombinazione di coppie elettrone- lacuna elettronica di un dato materiale che sono separati in due zone distinte che formano una giunzione p-n. Gli elettroni eccitati rilasciano l’energia sotto forma di fotoni e quindi di luce. Questo principio viene sfruttato nei LED ( diodi a emissione luminosa) che sfruttano le proprietà di alcuni materiali si produrre elettroni attraverso un meccanismo di emissione spontanea.

Da allora sfruttando questa scoperta sono stati ottenuti altri polimeri conduttivi come la polianilina, il polipirrolo, il politiofene, il polietilendiossitiofene

Applicazioni

Molteplici sono le applicazioni dei polimeri conduttivi e tuttora la ricerca è volta a comprenderne a pieno le potenzialità. Ad esempio la polianilina è un materiale antistatico, è utilizzata negli schermi dei computer in quanto protegge dalle radiazione elettromagnetiche ed è un inibitore della corrosione.

Il polirirrolo trova utilizzi nel campo dei dispositivi elettronici e dei sensori chimici.

Si stanno studiando le sue potenzialità per ottenere:

• materiali fotoluminescenti
• muscoli artificiali
• schermi elettromagnetici
• elettrodi in condensatori
• rivestimenti anticorrosivi

Il politiofene è un materiale più resistente all’ossigeno atmosferico e permette la stampa dei circuiti all’aria invece che sotto gas inerte. Esso inoltre resiste a temperature prossime ai 200 gradi. Perfezionando la sua struttura e le sue proprietà, potrà essere facilmente impiegato per raffreddare i dispositivi elettronici, anche i più piccoli, presenti nei server, nelle automobili e nei Led ad alta luminosità.

Il  polietilendiossitiofene è impiegato come anti-statico per rivestire le pellicole fotosensibili oltre che in dispositivi elettronici.