Una nueva estrategia supramolecular para construir el cable eléctrico más pequeño

 28.01.2019

Estructura del cable molecular. Imagen: Advanced Materials.

Una nueva estrategia supramolecular de auto-encapsulado consigue polímeros estables para posibles aplicaciones optoelectrónicas.

Los dispositivos emisores de luz basados en polímeros flexibles tienen numerosas potenciales aplicaciones en dispositivos bio-inteligentes. Estos dispositivos bioelectrónicos pueden proporcionar una detección precisa y en tiempo real de señales fisiológicas, como la glucosa o la presión arterial, y constituyen el nuevo paradigma para la monitorización de la salud. Los materiales base de estos dispositivos suelen ser polímeros conjugados que se degradan rápidamente, afectando a la pureza del color y la eficiencia de emisión de luz. El frágil equilibrio de estos polímeros ha sido el principal factor limitante para la comercialización masiva de la electrónica orgánica, y por ello, hoy en día los esfuerzos de muchos grupos de investigación se centran en garantizar la estabilidad de estos materiales.

El grupo de Juan Cabanillas (IMDEA Nanociencia) -en colaboración con grupos de la Universidad de Nanjing Tech (China) y otros centros de investigación- han trabajado en una estrategia original para superar el problema. Han propuesto una novedosa auto-encapsulación de las cadenas de polímeros, para aislar su estructura de los agentes externos (como oxígeno y humedad) y evitar así la formación de estados excitados entre cadenas, agregación y otros obstáculos que impiden un espectro de emisión puro. El grupo conjugado polidiaril-fluoreno (PHDPF-Cz) consiste en una cadena principal en la que los grupos difenilo se localizan en la posición 9 y las unidades de carbazol (Cz) se localizan en la posición 4. El apilamiento de estos grupos aromáticos rodea la nube electrónica a lo largo del polímero -al igual que ocurre en los cables de alimentación eléctrica, en los que el hilo metálico se aísla por un recubrimiento de plástico. Las moleculas apiladas permiten el transporte de carga a lo largo de la cadena y simultáneamente dificultan las interacciones de tipo π-π  entre cadenas en el estado sólido.

Las propiedades ópticas del material PHDPF-Cz han sido estudiadas por Cabanillas y Sun en IMDEA Nanociencia, con la técnica de espectroscopía ultrarrápida. Láminas de PHDPF-Cz muestran una larga estabilidad del espectro de emisión en el tiempo, incluso al exponerlas a condiciones desfavorables (8 h a 180 ºC en aire). Esto se evidencia por la ausencia de la emisión verde, característica de los defectos y agregación inducidos por el oxígeno. Los espectros de absorbancia y emisión son insensibles al entorno de la cadena, ya sea solución, gel o película sólida, y también son insensibles al espesor de la lámina, lo que indica una propiedad excelente para su procesamiento industrial a gran escala. Para investigar la capacidad de transporte del PHDPF-Cz, se construyó un diodo emisor de luz haciendo un sandwich con la lámina entre dos electrodos. Se encontró una alta movilidad de huecos, varios órdenes de magnitud mayor que la encontrada previamente para otros polímeros conjugados, y que es apenas dependiente del espesor de la lámina (en el rango de 95-175 nm). Además, se encontró que la luminiscencia azul era independiente del voltaje de corriente aplicado (4-9 V), lo que constituye una característica deseada para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos.

Los cables moleculares están atrayendo un gran interés en la fabricación de dispositivos electrónicos flexibles. Las ventajas de tales materiales son muchas. Son solubles, por lo que podrían procesarse como tintas para la impresión de circuitos 2D. La química de los polímeros conjugados es muy rica, lo que significa que es posible ajustar las propiedades de emisión mediante ingeniería de materiales. Y son orgánicos y flexibles, por lo que potencialmente podrían integrarse en dispositivos biológicos inteligentes. Un paso adicional en la ingeniería de estos materiales sería su disposición en fibras ordenadas, que permitiría un transporte de carga en una sola dirección. 

Dos polímeros conjugados, cuyos sustituyentes (unidos covalentemente, color verde) conforman una conformación de tipo helicoidal [1] y tipo de anillo [2].

 El grupo de Cabanillas está trabajando actualmente en estrategias para mejorar las propiedades de emisión de los polímeros conjugados. El año pasado, estudiaron una estrategia diferente para revestir los polímeros por sus propias cadenas laterales,  con geometrías o bien helicoidales o bien de tipo anillo. "Ambas estrategias funcionan bien, pero hemos demostrado que la estrategia de revestimiento helicoidal [1] obliga a la disposición coplanar de los monómeros vecinos, es decir, las moléculas se sitúan en el mismo plano. Esto permite una conjugación extendida en la que el transporte podría ser mucho más eficiente", dice Cabanillas. Continúa: "La movilidad electrónica a lo largo de las cadenas es verdaderamente más alta que la movilidad entre cadenas, y esto abre muchas posibilidades nuevas e interesantes para los polímeros que emiten luz, incluido su uso para amplificación coherente de luz".

Juan Cabanillas es investigador en IMDEA Nanociencia. Su investigación se centra en la dinámica de estados excitados en polímeros conjugados y la aplicación de estos materiales en diferentes campos, como la iluminación, la detección de luz y la detección química. El trabajo aquí presentado ha sido cofinanciado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España, el China Scholarship Council y el programa Severo Ochoa de Centros de Excelencia.

 Artículos:

 [1] Jinyi Lin, Bin Liu et al. Ultrastable supramolecular self-encapsulated wide-bandgap conjugated polymers for large-area and flexible electroluminescent devices. Adv. Mater. 31, 1804811 (2019).

 [2] Chen Sun, Marta M. Mroz et al. Amplified spontaneous emission in insulated polythiophenes. J. Mater. Chem. C, 6, 6591 (2018).