En la Era del Plásti­co, que está en su apo­geo, y en donde los utensilios, instrumentos o vehículos de los que nos servimos están hechos con diferentes clases de plásticos, la humani­dad presenció cómo se sucedieron uno tras otro muchos descubrimientos; los científicos se encontraron con propie­dades de los polímeros que aún ahora no se acaban de aprovechar.

Habitualmente hemos asociado a los plásticos como no conductores de elec­tricidad, con la de aislantes eléctricos; y una porción de sus usos se basan en ello. Los conductores eléctricos suelen aislarse con materiales plásticos poli­méricos para protegerlos, por ejemplo, de cortocircuitos.

Pero los descubrimientos de los Pre­mios Nobel de Química del año 2000 están haciendo 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 manufactura de láminas plásticas luminosas para señalización, pantallas planas de televisión o, bien, como papel decorativo emisor de luz que recubra las paredes de nuestras habitaciones.

Hace más de una década, se detectaron otras posibilidades con el fenómeno de la electroluminiscencia de los polímeros plásti­cos semiconductores, y por la importancia comercial que hay en los fotodiodos y en los LED (Light Emitting Diode), o diodos emisores de luz.

Un LED es una especie de emparedado de polímero semiconductor, con un elec­trodo polímero conductor en una cara y, en la otra, una delgada lámina metálica como electrodo. Si se aplica un voltaje entre los electrodos, el polímero semiconductor co­menzará a emitir luz.

La tecnología más avanzada del siglo XXI se asienta en estos campos. En el futuro, y gracias en parte a los plásticos conduc­tores, podrán construirse “componentes electrónicos formados por moléculas indi­viduales que aumentarán de forma extraor­dinaria la velocidad de las computadoras”.

Conductividad, pese a todo

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.

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.

Vidas de laboratorio

Alan Heeger, hijo de un inmi­grante judío de origen ruso, nació en Sioux City, Iowa, el 22 de enero de 1936. Estudió en la Universidad de Nebraska, y luego física en Berkley, en 1961. En la actualidad dirige el Instituto de Polímeros de la Universidad de California en Santa Bárbara. Alan McDiarmid, nacido en Masterton, Nueva Zelandia, en 1927. Se educó en la Victoria University hizo su maestría en química y fue premiado con la Fullbright Fellowship para estudir su doc­torado en la Universidad de Wisconsin. Ganó la beca Shell, que lo condujo a la Univer­sidad de Cambridge donde completó otro doctorado. En 1955, luego de un año en la Universidad de St. Andrews, en Es­cocia, se trasladó a la Universidad de Pennsylvania, donde ha desenvuelto su car­rera. En 1999 ganó el premio de Química de Materiales de la Amer­ican Chemical Society Award in Materials.

Por su lado, Hideki Shirakawa, nacido en Tokio, en agosto de 1936, fue el tercero de la familia de un médico y la hija de un sacerdote budista. Estudió en el Instituto Tecnológico de Tokio, y se especializó, desde entonces, en materiales. En la actualidad es profesor en el Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Tsukuba, en Japón.

Los tres fueron galardonados en el año 2000 con el Premio Nobel de Química por el descubrimiento y desarrollo de los plásti­cos conductores de electricidad, un avance técnico con enormes aplicaciones en la simplificación y el abaratamiento de innu­merables productos electrónicos, y uno de los fundamentos de los futuros ordenadores moleculares.

Como todo mundo sabe, los plásticos son polímeros, es decir, largas cadenas formadas por muchas repeticiones de una molécula simple, que por lo regular no condu-cen la electricidad: de ahí que se usen como aislantes en los cables eléctricos.

Sin embargo, Heeger, McDiarmid y Shirakawa descubrieron a finales de los años 70 que los plásticos sometidos a ciertas modificaciones podían conducir la electricidad. De hecho, en la actualidad se trabaja acti­vamente con plásticos conductores, y la industria ya los emplea para muchas aplicaciones, como pantallas de cóm­puto que amortiguan las radiaciones, películas fotográficas sin electricidad estática, ventanas inteligentes que filtran a voluntad la luz solar, células solares, diodos emisores de luz (LED) y las pequeñas pantallas de los celulares y las televisiones de miniatura.

El papel de la serendipia

En toda la historia de ese hallazgo tuvo un papel central la serendipia, de la que tanto se ha hablado en esta sección de AMBIENTE PLÁSTICO. Otra forma de llamar a la serendipia, más simple, es el azar, el cual ha contribuido en un montón de descubrimientos.

En el caso de los galardonados con el Nobel de química, hay que admitirlo, la casualidad hubiera tenido poco que hacer si no hubiera sido por el largo proceso que conllevaba la investigación básica en polímeros, que era, justamente, la especialidad de Shirakawa, quien tra­bajaba en la universidad japonesa de Tsukuba con poliacetileno, tratando de desarrollar catalizadores para preparar polímeros perfectamente orientados.

Uno de los estudi­antes de Shirakawa usó erróneamente una con­centración de cataliza­dor 1000 veces supe­rior a la necesaria para la reacción catalítica, y sorprendentemente se formó una película de polímero con aspecto metálico, como una hoja de aluminio. Al detenerse a reflexionar sobre lo acontecido, Shirakawa asumió que había ob­tenido un polímero con todos los grupos similares hacia lados opuestos (es lo que se conoce como configuración trans).

Pero a pesar de su aspecto metálico, la película de poliacetileno no conducía la electricidad, lo cual es sensato, porque, otra vez, todo el mundo sabe los plásti­cos son polímeros con grandes cadenas de enlaces covalentes, y por tanto son malos conductores; precisamente por eso se usan como aislantes eléctricos.

Pero ahí no termina el asunto. En el siguiente paso también intervino una casualidad. En 1976, McDiarmid acudió a Tokyo para dar una charla sobre otro misterioso polímero plateado en el que estaba trabajando con Heeger y tuvo la suerte de encontrarse accidentalmente con Shirakawa durante una pausa para tomar café. En esa conversación hablaron de las películas metálicas, y ambos decidieron tratar películas de poliacetileno con yodo.

De vuelta a Pennsilvania, el resultado fue un polímero de color negro metálico con propiedades insospechadas. Cuando Heeger midió la conductividad eléctrica del plástico plateado de Shirakawa, comprobó con estupefacción que conducía la electricidad diez millones de veces más que un plástico normal. Iniciaron entonces un proceso sistemático de síntesis, que permitió encontrar plásticos cuya conductividad que­daba tan sólo un par de órdenes de magnitud por debajo de las del cobre o la plata.

Gracias a este descubrimiento, se han desarrollado polímeros conductores y semi­ conductores, que han permitido reducir el tamaño de los circuitos electrónicos y aumen­tar en millones de veces la velocidad y la ca­pacidad de memoria de sus componentes.

La academia sueca, que espera pacientemente a que los hallazgos que va a premiar primero impacten a la sociedad en su conjunto, tardó 33 años en colgarles a los investigadores que dieron con los plásticos conductores la medalla más am­bicionada por la comunidad científica de todo el mundo.

Cómo dopar polímeros

Para que un polímero pueda conducir la electricidad, debe estar formado por enlaces simples y dobles alternados entre los átomos de carbono. Pero el polímero debe estar tam­bién “contaminado”, es decir, tener electrones retirados (por oxidación) o introducidos (por reducción). Esos “agujeros” o electrones adi­cionales se mueven a lo largo de la molécula, que se vuelve así conductora.

Entre las aplicaciones del descubrimiento de Shirakawa, Heeger y MacDiarmid están las sustancias antiestáticas para películas fotográficas, los escudos protectores contra la radiación electromagnética en pantallas de computadoras y las ventanas “inteligen­tes” capaces de filtrar la luz.

Más aún, los polímeros semiconducto­res han sido empleados recientemente en diodos luminosos, células solares y panta­llas para teléfonos móviles y televisores de pequeño formato. En el futuro será posible producir transistores y otros componentes electrónicos consistentes en moléculas individuales, lo que aumentará notable­mente la velocidad y reducirá el tamaño de las computadoras. La Academia predice que, gracias a este descubrimiento, una computadora que hoy se lleva en una bolsa cabrá algún día en un reloj de pulsera.

Una cascada de conocimientos

Las espectaculares propiedades eléctricas y ópticas de estos polímeros, ofrece un horizonte para que los químicos, físicos y tecnólogos consagren sus esfuerzos y logren sintetizar este nuevo tipo de materiales, es­tudiar sus propiedades y aplicarlos, cuanto antes, en la industria.

La electrónica molecular late en la base y la posibilidad de producir componentes elec­trónicos formados por moléculas orgánicas individuales permitirá no sólo la reducción del tamaño de las computadoras, y otros sistemas electrónicos, sino también el incre­mento de la velocidad de transmisión de la información. Muchos de estos materiales mo­leculares orgánicos y poliméricos son de fácil acceso por síntesis orgánica convencional.

Para no ir tan lejos, Alan J. Heeger ha fundado una empresa, Uniax Corporation, para comprobar la posibilidad industrial de sus investigaciones, que produce este tipo de polímeros y desarrolla sus aplicaciones. Este modelo de empresario-investigador, muy extendido ya en Estados Unidos, se está imponiendo en todo el mundo. Además de los tres laureados, otros científicos han contribuido a este desarrollo, como Fred Wudl, ahora en la Universidad de California en Los Ángeles, quien participó de manera destacada en la preparación de estos plásti­cos conductores.