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Semiconductores flexibles para doblar la electrónica

Un modelo teórico ayuda a predecir y mejorar la conductividad de polímeros

Esquema del flujo de la carga eléctrica a través de la estructura de un material polímero semiconductor.
Esquema del flujo de la carga eléctrica a través de la estructura de un material polímero semiconductor.

Cualquiera que lleve el teléfono móvil en el bolsillo trasero del pantalón apreciaría la comodidad que supondrían los dispositivos electrónicos flexibles, sostienen unos expertos de California que han dado un paso adelante hacia los materiales semiconductores plásticos que puedan doblarse y estirarse pero comportándose como los buenos materiales semiconductores, que son rígidos y quebradizos. La electrónica flexible, añaden los investigadores de la Universidad de Stanford, podría desembocar en un abanico de nuevos productos, desde tejidos con cableado para hacer ropa que enfríe o caliente a quien la vista, o tabletas que se doblen como un periódico.

La investigación sobre polímeros semiconductores no es una novedad. Muchos expertos están intentando crear plásticos que se puedan doblar y estirar sin que resulte mermada su capacidad superconductora. “Pero a nivel molecular, los polímeros parecen un plato de espaguetis y esas estructuras no uniformes tienen importantes implicaciones en las propiedades conductoras de los polímeros semiconductores”, explica el ingeniero químico Andrew Spakowitz, de la Universidad de Stanford. Este experto, su colega Alberto Salleo, y Rodrigo Noriega (Universidad de California en Berkeley) han desarrollado lo que ellos consideran el primer marco teórico que abarca las inhomogeneidades estructurales a nivel molecular de los polímeros semiconductores, lo que permite comprender, predecir y mejorar sus conductividad. Lo dan a conocer esta semana en la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias (EE UU).

El problema, explican estos expertos, es que los semiconductores poliméricos tienden a conducir la electricidad de modo diferente en distintas partes del material, una variabilidad que depende precisamente de si las fibras del polímero están enrolladas como espaguetis cocidos o forman líneas relativamente uniformes, aunque se curven. “En otras palabras, la estructura entrelazada que permite a los plásticos y otros polímeros doblarse es lo que dificulta la conducción eléctrica, mientras que la estructura regular de los semiconductores de silicio los hace ser buenos dispositivos eléctricos, pero malos para llevarlos en el bolsillo trasero del pantalón”, resumen los expertos de Stanford. Su modelo teórico permite abordar la solución intermedia entre flexibilidad y conductividad.

Hasta los años setenta, los plásticos se consideraban, desde el punto de vista eléctrico, no conductores, de ahí su gran utilidad como aislantes para los cables, por ejemplo. Pero entonces Alan Heeger, Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa descubrieron los polímeros semiconductores, materiales que en determinadas condiciones pueden conducir la electricidad, y los tres científicos compartieron el Premio Nobel de Química en 2000.

Pero una cosa es transmitir la electricidad y otra hacerlo eficazmente. Los experimentos han mostrado que esos polímeros presentan anomalías en el flujo de electrones por el material. Y esa variabilidad, argumentan Spakowitz Salleo y Noriega, se debe a que, debido a la estructura de las cadenas moleculares del material, crea como vías rápidas y puntos de congestión para los electrones. Es como si una cadena polimérica siguiera una configuración relativamente recta hasta un punto donde se torciera en forma de U, como una horquilla, y los electrones se atascaran en esa curva cerrada antes de saltar a la otra recta.

“Las teorías anteriores de flujo eléctrico en polímeros semiconductores están básicamente extrapoladas de nuestra comprensión de los semiconductores metálicos e inorgánicos, como el silicio”, señala Spakowitz, mientras que ellos han abordado directamente a escala molecular el transporte de electrones en esos materiales plásticos. Con su teoría, simplifican las propiedades estructurales y electrónicas de los polímeros semiconductores a un pequeño número de variables.