Más posibilidades aún para los semiconductores orgánicos
Las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID), las pantallas OLED y las células fotovoltaicas son algunas de las aplicaciones de los semiconductores orgánicos, una tecnología con un gran futuro por delante. Un proyecto Marie Curie se puso en marcha para controlar mejor las propiedades físicas de estos sistemas prometedores mediante el uso de agentes nucleantes a modo de aditivos. Los sectores industriales más innovadores de la Unión Europea consideran a los semiconductores poliméricos orgánicos materiales con un enorme potencial. Su fama además no deja de aumentar gracias a su rendimiento excelente en cuanto a conductibilidad eléctrica, estabilidad térmica, compatibilidad con sustratos mecánico-flexibles, bajo coste de fabricación e integración sencilla con otras características de índole química y biológica. Hoy en día su popularidad se debe sobre todo a las aplicaciones que podrían ofrecer en la mejora de las células fotovoltaicas y las pantallas flexibles. Sin embargo, para lograr que estos materiales alcancen un nivel de innovación superior y hacer frente a la competencia internacional desde una posición ventajosa, será necesario controlar mejor su organización física. Aún resulta imposible, por ejemplo, controlar la cristalización de incluso el más sencillo de los «plásticos» (PE), una capacidad que de obtenerse permitiría crear un material mucho mejor que el muy común y frágil poliestireno (PS). Un control así capacitaría a la industria para modificar a discreción la apariencia de un PE con mejor resistencia mecánica y reducir los costes de fabricación. El proyecto financiado con fondos europeos CONDPOLYBLENDORD («Controlling the Order of Functional Polymers and their Corresponding Blends») se vale de agentes nucleantes a modo de aditivos para controlar el orden del sistema de polímeros conductores y sus distintas mezclas. Desde hace decenios se utilizan cantidades pequeñas de aditivos para manipular la estructura y las propiedades en estado sólido de los materiales, pero su aplicación a los semiconductores poliméricos orgánicos supondría un torrente de innovación para el sector. CONDPOLYBLENDORD llegó a su fin a finales de febrero. En esta entrevista exclusiva para la revista research*eu, Neil Treat explica sus descubrimientos. Asegura estar buscando el Santo Grial de la comunidad dedicada a los polímeros. ¿Cuál es su método? En CONDPOLYBLENDORD nos servimos de la idea ya establecida de los aditivos para abordar uno de los problemas más importantes de los semiconductores orgánicos, esto es, controlar su organización física. En el proyecto nos propusimos relacionar el orden molecular y las disposiciones conformativas para conjugar de manera orgánica materia con fenómenos electrónicos, magnéticos y ópticos. Además quisimos equiparar los conocimientos en este campo con los que se poseen en el de la mecánica de los polímeros, un ámbito en el que información de esta naturaleza dio lugar al desarrollo de fibras poliméricas enormemente fuertes para su empleo en material antibalas e instrumentos médicos extraordinarios. ¿Qué le impulsó a adentrarse en este ámbito de la investigación? Me interesé por los polímeros desde mi primer año de licenciatura. Recuerdo haber caído en la cuenta de que los sistemas de polímeros que se investigaban en mi laboratorio acabarían mejorando medicamentos capaces de salvar vidas. Desde entonces me propuse firmemente lograr que mi investigación jamás estuviese aislada o desconectada. Me sentía pleno cuando me encontraba al frente de mi ámbito del conocimiento, analizando, cuestionando y mejorando tecnologías. Mi objetivo como investigador científico era aplicar la ciencia, mi pasión, a los problemas y las necesidades de la gente. Esta revelación me impulsó a investigar, mediante un doctorado en la Universidad de California en Santa Bárbara, un tipo de celda fotovoltaica que se sirviese de polímeros como componentes activos. Estos sistemas podrían generar energía rentable en grandes superficies. Durante el doctorado se me ofreció la oportunidad de colaborar dos meses con el grupo de la profesora Natalie Stingelin en el Imperial College de Londres. Natalie y yo comenzamos a explorar una idea hasta entonces virgen para la comunidad dedicada a la electrónica orgánica: el modo de utilizar agentes nucleantes para influir en su estructura y sus propiedades electrónicas. Afortunadamente, descubrimos que este método era sencillo y potente y que podría generar un gran impacto social al aumentar la rentabilidad de las fuentes de energía renovables. Tras esta experiencia comencé a explorar las oportunidades de desarrollar aún más esta tecnología revolucionaria en el campo de la electrónica orgánica. ¿En qué difiere su método del uso que se da hoy en día a los aditivos? El método en el que se ha trabajado en CONDPOLYBLENDORD consiste en aplicar una estrategia popular en los sistemas poliméricos tradicionales a los nuevos sistemas materiales que suponen los semiconductores orgánicos. En él se incluyen aditivos de gran superficie que aumentan el volumen de los sitios de nucleación del material anfitrión y, por tanto, permiten controlar el tamaño de los cristales de este. La sencillez y versatilidad de nuestros resultados han servido de catalizador para otros estudios sobre semiconductores orgánicos realizados por ingenieros de procesos (por ejemplo para el desarrollo de protocolos de procesamiento) y físicos (por ejemplo para conocer las relaciones entre la microestructura y los transportes de cargas). Otras aplicaciones posibles en este ámbito incluyen el uso de agentes nucleantes para controlar las morfologías de fase de las capas activas en células fotovoltaicas orgánicas, aplicación para la que se sospecha que una distribución precisa de los componentes activos resulta beneficiosa. En principio, los agentes nucleantes controlan el tamaño de los dominios cristalinos en este tipo de materiales y permiten servirse de la inclusión de aditivos en la producción de estructuras fotónicas, pero también para realizar estudios fundamentales dedicados por ejemplo a conocer la influencia de los límites de grano en el transporte de cargas en semiconductores orgánicos. ¿Se encuentran cerca de la culminación de su proyecto? CONDPOLYBLENDORD llegó a su fin a finales de febrero tras haber logrado los objetivos marcados de partida. Sus hallazgos se aplicarán en gran medida en otros sistemas funcionales —como los materiales ferroeléctricos y orgánicos magnéticos, y los nanomateriales— y confiamos en que nuestro trabajo contribuya a que otros grupos de investigación trabajen con esta estrategia. ¿Qué tipo de oportunidades abren sus nuevos agentes nucleantes para la industria europea? En CONDPOLYBLENDORD se ha demostrado la importancia de hacer converger la investigación, la tecnología y la innovación para impulsar aún más la transformación de la industria de polímeros desde los productos básicos hacia la creación de productos revolucionarios y al mismo tiempo integrarlos en el sector europeo de los PV. Mi contribución es al conocimiento fundamental que permite el control de la morfología de estos sistemas mediante el uso de agentes nucleantes en polímeros semiconductores y sus mezclas correspondientes, un método que nunca antes se había investigado ni aprovechado en estos materiales. El control de la nanomorfología de los polímeros conductores y sus mezclas es fundamental para avanzar aún más en el campo de la electrónica orgánica. CONDPOLYBLENDORD se creó para realizar una contribución fundamental a los sectores europeos de la investigación y la industria dedicados a la electrónica orgánica. Todo ello se logrará mediante un conocimiento más exhaustivo de la morfología de las mezclas de polímeros de fulereno. También me propuse obtener vastos conocimientos técnicos interdisciplinarios en química, ingeniería y física para conocer mejor los requisitos de nucleación y así diseñar nuevos materiales que abriesen la puerta a la fabricación de productos especializados sencillos y de gran superficie y que reforzasen el liderazgo que Europa mantiene desde hace tiempo en la vanguardia de la fabricación. ¿Cuándo prevé que esta investigación tenga efectos en el mercado? Los productos dotados de semiconductores orgánicos como los diodos emisores de luz (OLED) ya se utilizan a diario, por ejemplo en los dispositivos móviles. CONDPOLYBLENDORD se dedica a los aspectos fundamentales relacionados con el control de la cristalización de este tipo de materiales funcionales. Opinamos que nuestros descubrimientos contribuirán a facilitar el desarrollo tecnológico. Esperamos que los agentes nucleantes mejoren la viabilidad comercial de otros sistemas de materiales al solventar escollos como la reproducibilidad entre lotes. ¿Qué etapas restan del proyecto? ¿Tienen algo planeado para después de su conclusión? Continuaremos, a través del Centro de Electrónica de Plásticos del Imperial College de Londres, utilizando agentes nucleantes como estrategia para controlar la cristalización y la formación de microestructuras en tecnologías emergentes como las células fotovoltaicas de perovskita.
Países
Reino Unido