Polimeros condutores

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Definição de polímero
Polímero é o nome dado para moléculas na qual há formação de cadeias que possuem seguidas ligações de monômeros, estes são moléculas menores que podem fazer ligações com o mesmo tipo de molécula. 
Figura 1(Exemplo de monômero)
Os polímeros em geral são materiais orgânicos, pois são constituídos de átomos de carbono e hidrogênio, desta maneira são conhecidos por serem isolantes térmicos e elétricos excelentes. Mas atualmente uma nova serie de polímeros orgânicos estão sendo desenvolvidos, para que possam conduzir de maneira eficaz corrente elétrica, sendo denominados polímeros condutores.
Polímeros condutores 
Os polímeros condutores (também conhecidos como “metais sintéticos”) pertencem à classe dos polímeros conjugados. Polímeros conjugados são aqueles que apresentam em sua cadeia uma serie de ligações duplas e simples alternadas.
Figura 2 (polímeros conjugados)
Os polímeros conjugados possuem elétrons desemparelhados ao longo de suas cadeias, isto contribui para a origem de uma distribuição aproximadamente contínua de estados energéticos que constituem bandas de energia. As ligações duplas são consideradas ligações químicas fortes devido à formação de ligação covalentes entre os átomos de carbono, gerando ligações “sigma” (é uma ligação covalente em que o orbital de um átomo penetra o orbital de outro átomo em um mesmo eixo). Os mesmos átomos que fazem parte das ligações duplas também possuem uma ligação “PI” (é uma ligação em que há interpenetração dos orbitais atômicos incompletos no eixo paralelo), é menos localizada, e por isso é uma ligação mais fraca. Os elétrons das ligações “PI” nos polímeros conjugados não possuem uma localização fixa (são delocalizados) ao longo da cadeia polimérica, ao contrario dos elétrons das ligações sigma. Assim estes sistemas são considerados eletronicamente falando unidimensionais. As ligações “PI” são necessárias para que um polímero se torne condutor, onde se encontram os elétrons “PI” dos átomos de carbono e a sobreposição de suas funções de onda.
 Figura 3 (Exemplo de ligações σ (sigma) e π (Pi))
Um exemplo de polímero que se torna condutor é a Polianilina ou PAN (figura 2), que através do processo de dopagem deixa de ser considerado semicondutor para condutor. Mediante o ajuste controlado do grau de dopagem, podem se obter diferentes valores de condutividade, variando desde o estado não dopado ou isolante até o estado altamente dopado ou metálico. Hoje em dia existem muitas possibilidades de aplicações envolvendo os polímeros condutores.
História
Por muito tempo, as tentativas para obter um polímero condutor foram frustradas. Somente no início da década de 70, uma classe de polímeros foi preparada com significativa capacidade de conduzir eletricidade, embora a idéia de que sólidos orgânicos apresentassem alta condutividade elétrica, comparável à dos metais, tenha sido proposta há mais de meio século. A descoberta dos polímeros condutores teve início acidentalmente no laboratório de Hideki Shirakawa do Instituto de Tecnologia de Tóquio, em 1976. Na tentativa de sintetizar o poliacetileno (um pó preto), um estudante de Shirakawa produziu um lustroso filme prateado, parecido com uma folha de alumínio. Revendo a metodologia, o estudante verificou que havia utilizado uma quantidade de catalisador 1000 vezes maior que a necessária. Em 1977, Shirakawa, trabalhando em colaboração com MacDiarmid e Heeger na Universidade da Pensilvâ- nia, EUA, verificou que após a dopagem do poliacetileno com iodo, o filme prateado flexível tornou-se uma folha metálica dourada, cuja condutividade elétrica era sensivelmente aumentada. Na década de 80, os pesquisadores Naarmann e Theophilou da BASF AG, em Ludwingshafen, Alemanha, conseguiram incrementar ainda mais a condutividade do poliacetileno. Usando um novo catalisador e orientando o filme por estiramento, conseguiram, após dopagem, condutividade semelhante à do cobre metálico à temperatura ambiente (106 S cm-1). A descoberta do poliacetileno condutor mostrou que não havia nenhuma razão para que um polímero orgânico não pudesse ser um bom condutor de eletricidade. Desta forma, outros polímeros condutores foram preparados. 
Aplicações dos polímeros condutores 
Devido à alta aplicabilidade dos polímeros condutores, há um grande interesse em estudá-los. O que deu o inicio a esse desenvolvimento foi a descoberta que o poliacetileno podia funcionar como eletrodo ativo em uma bateria secundária. Além de baterias, os polímeros condutores são apresentados como materiais potenciais para a fabricação de dispositivos eletrocrômicos, coberturas antiestáticas, eletrocatalisadores, dispositivos eletrônicos, sensores e etc. Os polímeros condutores podem ser utilizados em muitas aplicações. Os polímeros condutores só conseguem entrar no mercado quando oferecerem “algo mais” que os compostos já existentes. Na Tabela são apresentados algumas aplicações dos polímeros condutores, seus fenômenos e usos. 
Tabela : Aplicações dos Polímeros condutores. 5
Materiais como polipirrol e polianilina contribuíram com a aproximação da química, física e biologia, a partir do desenvolvimento de músculos artificiais, sensores eletroquímicos, dispositivos emissores de luz orgânicos, supercapacitores, baterias, tintas anticorrosivas, blindagens eletromagnéticas… São tantas as aplicações e tantas as possibilidades de interação com materiais emergentes como o grafeno, que os polímeros condutores passaram a ser um dos materiais sintéticos mais versáteis de nosso tempo, permitindo com que se tenha claramente definido o conceito de multifuncionalidade.
Figura 4 (Exemplo de polímero condutor)
 
Aplicação em músculos artificiais
Os polímeros eletroativos (EAPs) quando estimulados por um campo elétrico podem sofrer uma alteração na sua forma, no seu tamanho (músculos artificiais). Um exemplo de polímero que pode ser utilizado para produzir músculos é o polipirrol, que é um material condutor e possui os dois tipos de correntes, iônica e eletrônica.
Nos Estados Unidos existe a Ras Labs está trabalhando com músculos artificiais, e possuem um projeto em conjunto com a NASA. Há uma grande importância hoje na utilização de robôs em missões espaciais, as quais seriam muito perigosas para os seres humanos. Então robôs com músculos sintéticos terão capacidades bem parecidas com as nossas, podendo realizar tarefas bem mais complexas. Mas o material deve resistir ao ambiente do espaço, como por exemplo, devem possuir resistência à radiação. O músculo criado pela Ras Labs resiste à temperaturas muito baixas (2 a 4 Kelvin) e também à relativamente altas para polímeros (135°C) e ainda resiste à radiações fatais para os humanos.
Figura 5 (Exemplo de músculo de polipirrol)
Aplicação em baterias
Os pesquisadores da Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) estão desenvolvendo uma nova abordagem para um dispositivo de armazenamento de energia que consegue ter total carregamento em rápidos 20 segundos. O sistema funciona com um eletrólito aquoso (solução à base de água). Os pesquisadores coreanos modificaram a forma como o AHC (Capacitor Hibrido Aquoso) é construído. Esses capacitores híbridos são montados com uma bateria que armazena a energia eletroquimicamente como uma carga eletrostática. Os íons entre eles podem ajudar a transportar a corrente. O conceito dessa bateria não é novo e já foi tentado outras vezes; porém dessa vez os cientistas usaram polímeros a base de grafeno em vez de condutores metálicos e assim conseguiram superar as insuficiências dos AHC anteriores. Além de ser muito mais rápida no carregamento, essas baterias são mais confiáveis, mais baratas e mais leves.
Figura 6 (Bateria com polímeros a base de grafeno)
Aplicação em tintas anticorrosivas
Os polimeros condutores tem se mostrado como um revestimento anticorrosivo alternativo em relaçao aos revestimentos compostos de cromo. Assim como os revestimentos de cromo, os revestimentosa base de polímeros condutores possuem um potencial de equilíbrio positivo, alem de oferecerem excelente desempenho ambiental, sendo aprovado em vários testes toxicológicos exigidos pela comunidade européia. Como exemplo, a PANI eletropolimerizada sobre aço inoxidável ferritico, fornece uma espécie de proteção anódica, reduzindo significativamente a taxa de corrosão do aço.
A proteção anódica baseia-se na formação de uma película protetora nos materiais metálicos por aplicação de corrente anódica externa, causando a passivação do metal. Apesar de este método ser eficiente, apresenta aplicação restrita, pois necessita de condições específicas. 
Aplicação em dispositivos emissores de luz
O OLED (Diodo orgânico emissor de luz), esta começando a substituir as telas comuns dos dispositivos eletrônicos. Dadas as suas características, o OLED pode muito bem dominar o mercado um dia, apesar do seu custo ainda muito elevado. Mais luminoso, o OLED apresenta melhores contrastes, permite telas ultra planas de poucos milímetros, curvas e até flexíveis. Em uma tela de LCD ou LED, muitas camadas são montadas em frente a um sistema de iluminação traseira que conferem uma espessura mínima às telas. Mas o OLED emite luz e cor, então a espessura da tela é bastante reduzida. 
Figura 7(Tela de OLED)
Aplicação em tintas condutoras
Na área de sensores e biossensores, a fim de diminuir os custos e facilitar a sua produção, vários pesquisadores têm desenvolvido tintas condutoras, as quais servem como substrato para estes dispositivos. As tintas, em sua maioria, são a base de grafite ou são constituídas somente por polímeros condutores, como polianilina (PAni) e Poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT). Podem ser aplicadas por impressoras jato de tinta ou por serigrafia.
Vantagens e desvantagens dos polímeros condutores
Os polímeros condutores podem ser utilizados em um vasto número de aplicações que nos trazem vantagens nos ramos tecnológicos, sociais e ambientais, porém em contrapartida algumas desvantagens e dificuldades são encontradas na utilização desses polímeros.
 	A corrosão metálica é um grave problema tecnológico que causa grandes despesas anuais no mundo todo. Atualmente, o mundo não está preocupado unicamente com gastos financeiros para manutenção de materiais metálicos, pois está havendo uma excessiva preocupação quanto aos métodos de recobrimento empregados para proteção anticorrosiva principalmente a cromatação. Cromatos e dicromatos são extremamente prejudiciais ao meio ambiente e podem provocar tumores carcinogênicos aos seres humanos. Por isso, revestimentos estratégicos de polímeros intrinsecamente condutores eletrônicos para a proteção à corrosão metálica têm-se destacado.
	Outra vantagem em relação aos polímeros condutores é que estes inclusos na composição de produtos de pequena escala e alto valor agregado, podendo destacar nesse caso os filmes eletrocrômicos que servem para controlar a luminosidade e a troca de calor com o ambiente externo. Várias aplicações têm sido propostas para os dispositivos eletrocrômicos, sendo que as mais visadas estão na área de arquitetura como, claraboias decorativas, vidros privativos ou de divisórias, com resultados bem mais eficientes do que os vidros “fumados” ou espelhados, capazes de isolar a luz, mas não o calor. 
	Estes também podem ser utilizados na produção de supercapacitores, na qual são condensadores eletroquímicos quem tem uma extraordinária capacidade de armazenamento de energia quando comparado a capacitores comuns de grande aplicação em aparelhos e veículos elétricos, em proteção de memória de computadores e aparelhos de comunicação. Os supercapacitores feitos com polímeros condutores custariam muito menos e teriam a mesmo desempenho dos supercapacitores comerciais, utilizados em componentes eletrônicos.
	Na área de fontes alternativas de energias, os polímeros condutores estão sendo estudados para uso como componentes ativos de células fotovoltaicas. Eles substituiriam o silício, normalmente utilizado nestes dispositivos, cuja função é transformar energia luminosa em corrente elétrica. Neste caso a eficiência de conversão dos polímeros seria inferior a do silício, porém custo financeiro e energético seria muito menor.
	O principal problema enfrentado por estes polímeros em aplicações comerciais é a dificuldade de se conciliar boa estabilidade química, alta condutividade elétrica e resistência mecânica em um mesmo material. Porém com o uso das técnicas de síntese e manipulação orgânica desenvolvida, acredita-se que boa parte destes problemas possa ser resolvida. Vários dispositivos eletrônicos têm sido desenvolvidos em laboratório ou encontrados uso em escala comercial, como é o caso das baterias de polianilina, que possuem uma alta densidade de energia elétrica acumulada e são mais leves que as baterias metálicas. Outro fator é o fato de que os polímeros condutores ainda não serem largamente explorados comercialmente e poucos são os exemplos de sua utilização comercial.
	Existem também desvantagens específicas em relação aos vários tipos de polímeros condutores, uma desvantagem, por exemplo, é em relação ao poliacetileno, que embora tenha sido o primeiro polímero condutor sintetizado apresenta algumas limitações como a baixa estabilidade ambiental, pois oxida facilmente a presença de ar, o baixo grau de ordenamento ou cristalinidade e a alta densidade de portadores e baixa mobilidade de portadores, porém esse problema pode ser resolvido caso se obtenha o poliacetileno orientado e caso as cadeias sejam orientadas depois da polimerização.