Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

El café y los plásticos conductores

 Posiblemente una de las características más notables de nuestra civilización es que podría aplicársele el calificativo de ERA DEL PLÁSTICO. En este siglo que acaba una buena parte de los más o menos esenciales utensilios, instrumentos o vehículos de los que nos servimos están hechos con diferentes clases de plásticos.

Tradicionalmente hemos asociado la expresión plásticos con la de no conductor de electricidad, con la de aislantes eléctricos, y una parte de sus utilizaciones se basan en ello. Los conductores eléctricos suelen aislarse con materiales plásticos poliméricos para protegerlos (también a nosotros) de cortocircuitos. Pero los descubrimientos de los Premios Nobel de Química del año 2000 posiblemente harán cambiar radicalmente la situación permitiendo el uso de plásticos que, en determinadas circunstancias se comporten como metales, conductores eléctricos, semiconductores, fuentes lumínicas, etcétera, posibilitando la barata fabricación de láminas plásticas luminosas usables en señalización, pantallas planas de televisión o, incluso, como papel decorativo emisor de luz que recubra las paredes de nuestras habitaciones. Y estas fascinantes posibilidades comenzaron con una conversación entre dos científicos mantenida entre el químico japonés Hidaki Shirakawa (uno de los Nobel 2000) y el químico americano, de origen neozelandés, Alan G. MacDiarmid, en una pausa para tomar café, cuando asistían a un Seminario científico celebrado en Tokio a mediados de los 70.

CONDUCTIVIDAD. Para que exista conducción eléctrica es necesaria la existencia de electrones que puedan moverse libremente, sin estar enlazados a los átomos. Desde el punto de vista de medidas cuantitativas de la conductividad podríamos construir una escala, con unos puntos de referencia, en los que, en cada uno, la conductividad fuese 10.000 veces superior al del anterior. De menor a mayor conductividad comenzaríamos con el cuarzo, continuando con diamante, vidrio, silicio y germanio, para dar un salto de 100 millones de mayor conductividad para llegar a los metales (cobre, hierro, plata). Dentro de esta escala, los aislantes presentan igual o menor conductividad que el vidrio. La conductividad de los semiconductores se sitúa en el rango de las del silicio y las del germanio y la de los conductores se corresponde a los metales.

Muchos polímeros plásticos, como el poliacetileno, cuentan con lo que en química se denomina sistemas de dobles enlaces conjugados, es decir, una serie alternada de enlaces sencillos (sigma, fijos) y dobles (pi, algo móviles). Ello hace que se forme una especie de nube electrónica a un lado y al otro del plano en el que está situado el sistema alternante de enlaces. Podrían ser semiconductores, pero, sin embargo, esa disponibilidad electrónica no es suficiente para que la macromolécula adquiera la propiedad de conductora eléctrica. Para ello, hay que dopar al polímero, lo que significa modificarlo quitándole electrones (oxidación) o insertándole electrones (reducción). Podemos entenderlo mejor acudiendo al símil del juego de las sillas, con un cierto número de sillas que es inferior en una unidad al número de jugadores, lo que hace que, en cada momento, uno de éstos, diferente en el transcurso del juego, no ocupe silla sino que queda libre. Los jugadores serían los electrones, su movimiento la corriente eléctrica y las sillas los átomos constituyentes de la molécula del polímero. En un plástico, con sistemas de dobles enlaces conjugados, adecuadamente dopado, al aplicar un campo eléctrico los electrones de los enlaces pi se pueden mover a lo largo de su cadena polimérica y como el material plástico está formado por muchas moléculas poliméricas, si las cadenas poliméricas están adecuadamente ordenadas, también los electrones pueden saltar desde una molécula polimérica a otra. Pero, ¿cómo se descubrió la posibilidad de dopar los plásticos y las consecuencias que se derivaban de ello?.

CAFÉ. La serendipia (una adecuada combinación de azar y Ciencia) se alió, a principios de los 70, con el Dr. Shirakawa quien estudiaba en su laboratorio las condiciones de la síntesis de poliacetileno, que se depositaba en forma de una lámina negra sobre las paredes del recipiente de reacción. El poliacetileno se puede presentar en dos formas isómeras, cis y trans, y con el uso de catalizadores el Dr. Shirakawa pretendía controlar sus proporciones respectivas. Un determinado día cometió un error y añadió 1000 veces la cantidad de catalizador usado normalmente. La sorpresa fue la obtención de una hermosa lámina plástica plateada, en lugar de negra. Analizada, resultó ser trans-poliacetileno puro. Usando otra temperatura obtuvo una lámina de color cobre que consistía en cis-poliacetileno casi puro.

Simultáneamente, en EE.UU., el químico Alan G. MacDiarmid y el físico Alan J. Heeger realizaban experiencias no con plásticos, sino con un polímero inorgánico de nitruro de azufre, con el que consiguieron una lámina coloreada de aspecto metálico.

Ahí podría haber acabado todo. Pero MacDiarmid acudió al seminario científico de Tokio a exponer su trabajo, Shirakawa lo escuchó y aunque sus investigaciones eran de temas diferentes (solo coincidían en la obtención de láminas coloreadas de aspecto metálico), cuando accidentalmente ambos coincidieron tomando el café Shirakawa se las contó a MacDiarmid, quien le propuso una estancia en la Universidad de Pensilvania para realizar investigaciones comunes.

DOPAJE. Allí comenzaron a modificar (dopar) el polímero de poliacetileno mediante oxidación con vapores de yodo. Y cuando uno de los estudiantes del Dr. Heeger midió la conductividad de la lámina resultante comprobó que era ¡diez millones de veces superior a la de la lámina sin dopaje!. Se había descubierto el primer plástico con conductividad eléctrica y el artículo correspondiente, publicado en el verano de 1977, en The Journal of Chemical Society, fue considerado como un gran hito científico. Y, hace 10 años, se abrieron otras nuevas e importantes posibilidades con el descubrimiento de electroluminiscencia de los polímeros plásticos semiconductores, por el interés comercial existente en los fotodiodos y en los LED o diodos emisores de luz. Un LED puede consistir en una especie de sándwich de polímetro semiconductor, con un electrodo polímero conductor en una cara y, en la otra, una delgada lámina metálica como electrodo. Cuando se aplica un voltaje entre los electrodos el polímero semiconductor comenzará a emitir luz.

Se piensa que en pocos años se podrán desarrollar pantallas planas de televisión basadas en láminas de LED del tipo descrito, así como señales de tráfico luminosas o pantallas informativas. El gran potencial comercial de los plásticos semiconductores es la posibilidad de su rápida y barata producción. Pronto serán usuales entre los consumidores los componentes electrónicos basados en polímeros plásticos así como los circuitos integrados basados en polímeros.