Premio Nobel Em Polimeros Condutores

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 12, NOVEMBRO 2000

    Descoberta e AplicaesNobel 2000

    ATUALIDADES EM QUMICA

    A seo Atualidades em qumica procura apresentar assuntos que mostrem como a qumica uma cincia viva, seja comrelao a novas descobertas, seja no que diz respeito sempre necessria reviso de conceitos.

    Prmio Nobel 2000

    Ofsico Alan J. Heeger (Univ. daCalifrnia em Santa Brbara,EUA) e os qumicos Alan G.MacDiarmid (Univ. da Pensilvnia, emFiladlfia, EUA) e Hideki Shirakawa(Univ. de Tsukuba, Japo) ganharam oPrmio Nobel de Qumica de 2000pela descoberta e desenvolvimentode polmeros condutores.

    A editoria e o conselho editorial deQumica Nova na Escola tm estadoatentos ao que vem ocorrendo nacomunidade cientfica internacional eaos avanos da qumica. Assim, consi-derando que o tema polmeros condu-tores tem grande interesse da socie-dade em geral e para o ensino dequmica em particular, o n. 11 da revis-ta, publicado em maio de 2000,apresentou extenso artigo sobre pol-meros condutores (Faez et al., 2000),no qual relata-se: a) como os polmeroscondutores foram descobertos; b)como conduzem eletricidade; c) comoso sintetizados; d) as suas aplica-es, sendo que uma delas (disposi-tivos eletrocrmicos) explicada emmais detalhes; e) as instituies brasi-leiras onde h grupos de pesquisa-dores de polmeros condutores. Assim,neste artigo, aps rememorar a des-coberta em si, daremos nfase saplicaes dos polmeros condutores

    Romeu C. Rocha-Filho

    O Prmio Nobel de Qumica de 2000 foi outorgado aos descobridores dos polmeros condutores. Este artigo relatabreves biografias dos trs ganhadores do Prmio e algumas das aplicaes dos polmeros condutores.

    polmeros condutores, Prmio Nobel

    e apresentararemos breves biografiasdos cientistas que ganharam o Prmio.

    A descobertaOs polmeros condutores foram

    descobertos na segunda metade dadcada de 70, quando Shirakawatrabalhou junto com Heeger no labora-trio de MacDiarmid, na Univ. da Pensil-vnia (Faez et al., 2000). Eles produziramo primeiro metal orgnico, ao desco-brirem que a condutividade eltrica(Figura 1) do poliacetileno poderia seraumentada de cerca de 10 ordens degrandeza por meio de sua oxidaocom cloro, bromo ou vapor de iodo; esteprocesso, por analogia com a dopagemde semicondutores extrnsecos, foichamado de dopagem.

    Da dcada de 70 para c, a pes-

    quisa nesta rea expandiu-se enorme-mente. A ltima Conferncia Interna-tional sobre Metais Sintticos, ICSM2000, ocorrida em Gastein, na ustria,contou com a participao de mais de2500 pesquisadores de todo o mundo,inclusive um grande contingente debrasileiros.

    Uma propriedade chave de um pol-mero condutor a presena de liga-es duplas conjugadas ao longo da ca-deia do polmero. Na conjugao (videabaixo), as ligaes entre os tomosde carbono so alternadamente sim-ples e duplas.

    Cada ligao contm uma ligaosigma () que forma uma ligao

    Figura 1: Polmeros conjugados podem apresentar condutividade eltrica desde a tpicade materiais isolantes at a de metais, passando pela de semicondutores.

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    qumica forte. Por outro lado, cada liga-o dupla tambm contm uma liga-o pi (pi) menos fortemente locali-zada e, por isso, mais fraca. Entretanto,no basta que o polmero tenha liga-es duplas conjugadas. Para que elese torne condutor eltrico, tem que serperturbado, tanto por meio da remoode seus eltrons (oxidao) como pormeio da insero de eltrons (redu-o); este processo conhecido comodopagem.

    O jogo abaixo corresponde a ummodelo simples de um polmero do-pado. As suas peas no podem sermovimentadas se no houver pelomenos um buraco vazio. Em umpolmero condutor que foi dopado poroxidao (remoo de eltrons: equi-valente criao dos buracos no jogo),cada pea corresponde a um eltronque pode pular para um buraco dei-xado vazio por outro eltron, o que criaum movimento de eltrons ao longo damolcula uma corrente eltrica.Ressalte-se que este modelo corres-ponde a uma grande simplificao,mas d uma idia aproximada decomo um polmero se torna condutor.

    So diversos os polmeros condu-tores; alm do poliacetileno, os maiscomuns so a polianilina, o polipirrol,o politiofeno, o poli(p-fenileno) e opoli(p-fenileno vinileno).

    AplicaesUm dos principais interesses no

    uso desses polmeros est na manufa-tura de baixo custo atravs do proces-samento de solues de polmerosformadores de filmes. Mostradores deluz e circuitos integrados, por exemplo,

    podem teoricamente ser fabricadosusando tcnicas simples, semelhantesa do jato de tinta de impressoras.

    A polianilina tem sido usada comoum condutor e para a blindagemeletromagntica de circuitos eletr-nicos e tambm como inibidora decorroso. Derivados do poli(p-fenilenovinileno) so fortes candidatos para acamada ativa na produo de mostra-dores eletroluminescentes (mostrado-res de telefones celulares, por exem-plo). J alguns derivados do politiofenoso promissores para transistores deefeito de campo, os quais possivel-mente venham a ser usados em caixasde supermercados. O polipirrol, porsua vez, tem sido usado em camadasdelgadas ativas de sensores analticos.Um outro polmero condutor, o poli(eti-leno dioxitiofeno) dopado com o cidopoliestirenossulfnico (PEDOT-PES) usado como pelcula anti-esttica paraprevenir a deposio de partculas dep em emulses fotogrficas e evitardescargas eltricas; o PEDOT-PEStambm tem sido usado como mate-rial do eletrodo injetor de buracos emaparatos emissores de luz base depolmeros (vide abaixo). Em monitoresde video matriciais coloridos, deriva-dos de poli(dialquilfluoreno) tm sidousados na camada emissora.

    Outras aplicaes possveis depolmeros condutores incluem a produ-o de capacitores eletrolticos e desupercapacitores.

    Polmeros eletroluminescentes - LEDsorgnicos

    medida que polmeros de alta pu-reza passaram a ser disponveis, umagama de aparatos semicondutores temsido investigada, entre eles diodos emis-sores de luz, mais conhecidos pela sigla

    inglesa LED (light-emitting diode). Estesnovos LEDs de polmeros so conhe-cidos como OLEDs, pois so orgnicosem vez de baseados em semicon-dutores extrnsecos inorgnicos.

    OLEDs so fabricados a partir depolmeros semicondutores eletrolumi-nescentes; para ser eletroluminescente,um polmero, alm de ser semicondutor,deve ser fluorescente, isto , ser capazde emitir luz visvel, ao absorver radia-o ultravioleta. O fenmeno da eletrolu-minescncia em polmeros semicondu-tores foi relatado pela primeira vez em1990, para o poli(p-fenileno vinileno): umfilme deste polmero colocado entre doiseletrodos emite luz amarelo-esverdea-da. A Figura 2 mostra esquematicamen-te os componentes de um OLED. O ele-trodo metlico (clcio em contato comalumnio) o catodo e, portanto, injetaeltrons no polmero semicondutor; ooutro eletrodo (PEDOT-PES em contatocom um filme condutor e transparentede xido de ndio e estanho -ITO) oanodo, que retira eltrons, injetandoburacos no polmero semicondutor.Quando os eltrons e buracos injetadosse recombinam no seio do polmero,ocorre a emisso de luz, cuja cor podevariar em funo do tipo de polmerosemicondutor fluorescente utilizado.

    Como os OLEDs so emissores deluz, seu uso em mostradores vanta-joso em relao aos cristais lquidos,pois estes requerem uma fonte emis-sora de luz independente. Por outrolado, OLEDs requerem menor potn-cia, so capazes de alto brilho e possi-bilitam uma grande diversidade decores; outra grande vantagem que aluz por eles emitida lambertiana, isto, ela igualmente brilhante em todasas direes (ao contrrio do que ocorreem visores de cristal lquido). O pri-

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    vidro

    vidro

    epoxialumnio

    polmeros conjugadossemicondutores

    luz

    eletrodo de clcioeletrodo PEDOT-PES

    ITO (xido de ndio e estanho)

    Figura 2: Componentes bsicos de um OLED diodo orgnico emissor de luz.

    1 2 3 48

    5 126 7 11 139 10 15 14

    N O B E L 2 0 0 0

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    meiro micromostrador de OLED foi lan-ado em outubro de 2000 pela empre-sa eMagin (http://www.emagincorp.com/).

    Transistores orgnicosOs primeiros transistores polimri-

    cos foram desenvolvidos no incio dosanos 90. Mais recentemente, tcnicassemelhantes do jato de tinta deimpressoras foram desenvolvidas paraa produo de transistores plsticoscada vez menores, a partir de polme-ros semicondutores.

    As primeiras aplicaes vislumbra-das para os transistores orgnicos fo-ram a produo de cartes de crditointeligentes e telas flexveis para moni-tores de computadores. Mais recente-mente, est sendo perseguida a produ-o do chamado papel eletrnico,uma combinao de transistores poli-mricos com outra tecnologia, a tintaeletrnica. Esta contm milhes deminsculas cpsulas que respondem asinais eltricos de modo a que mostremum corante preto ou um pigmento bran-co; uma vez ativada, a imagem man-tida com o uso de pouca ou nenhumaenergia adicional. O papel eletrnicoser, na realidade, um mostrador eletr-nico plstico que, se bem sucedido,poder ser atualizado via computadores,telefones sem fio ou mesmo conexesvia internet. Usos potenciais seus so emmostradores leves ultra-finos para tele-fones celulares, assistentes eletrnicospessoais e livros eletrnicos.

    Consideraes finaisO uso tecnolgico de polmeros

    condutores ainda est na sua infncia.Assim, muitas novidades certamentesurgiro nos prximos anos. Recente-mente, cientistas da Univ. do Texas emAustin, EUA, relataram o uso de um novobiomaterial, um polmero condutor aditi-vado com acar. Este material foi usa-do para acelerar o crescimento e repa-rao de nervos danificados, com bonsresultados. At recentemente, este bio-material s havia sido testado em c-lulas de tecidos de ratos. Se bem suce-dido em humanos, ele poder ser muitotil na recuperao de pacientes comdanos severos em nervos das pernasou braos, rompidos em acidentes.

    Romeu C. Rocha-Filho, licenc