Una silicona conductora para impulsar la eléctrónica blanda y flexible

Una variante recién descubierta de la silicona es un semiconductor, un hallazgo que desmiente la idea de que este tipo de material es exclusivamente aislante.

"Este material abre la puerta a nuevos tipos de pantallas planas, sistemas fotovoltaicos flexibles, sensores portátiles o incluso prendas de vestir que puedan mostrar diferentes patrones o imágenes", afirmó Richard Laine, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular de la Universidad de Michigan y autor correspondiente del estudio publicado recientemente en Macromolecular Rapid Communications.

Los aceites y cauchos de silicona (polisiloxanos y silsesquioxanos) son tradicionalmente materiales aislantes, lo que significa que resisten el flujo de electricidad o calor. Su resistencia al agua los hace útiles en dispositivos biomédicos, selladores, recubrimientos electrónicos y más.

Por otro lado, los semiconductores convencionales suelen ser rígidos. El silicio semiconductor tiene el potencial de permitir la electrónica flexible que describió Laine, así como la silicona disponible en una variedad de colores.

A nivel molecular, las siliconas se componen de una estructura principal de átomos de silicio y oxígeno alternados (Si-O-Si) con grupos orgánicos (carbonados) unidos al silicio. Diversas formaciones tridimensionales de cadenas poliméricas surgen al conectarse entre sí, conocidas como reticulación, lo que altera las propiedades físicas del material, como la resistencia o la solubilidad.

Al estudiar diferentes estructuras de reticulación en silicona, el equipo de investigación descubrió el potencial de conductividad eléctrica en un copolímero, que es una cadena polimérica que contiene dos tipos diferentes de unidades repetitivas: siliconas con estructura de jaula y siliconas lineales en este caso.

La posibilidad de conductividad surge de la forma en que los electrones pueden moverse a través de enlaces Si-O-Si con orbitales superpuestos. Los semiconductores tienen dos estados principales: el estado fundamental, que no conduce la electricidad, y el estado conductor, que sí lo hace. El estado conductor, también conocido como estado excitado, ocurre cuando algunos electrones saltan al siguiente orbital electrónico, que está conectado a través del material como un metal.

Normalmente, los ángulos de enlace Si-O-Si no permiten esa conexión. A 110°, distan mucho de una línea recta de 180°. Pero en el copolímero de silicona que descubrió el equipo, estos enlaces comenzaron a 140° en el estado fundamental y se extienden hasta 150° en el estado excitado. Esto fue suficiente para crear una vía por la que fluía la carga eléctrica.

"Esto permite una interacción inesperada entre electrones a través de múltiples enlaces, incluyendo enlaces Si-O-Si en estos copolímeros", explicó Laine en un comunicado. "Cuanto mayor sea la longitud de la cadena, más fácil será para los electrones recorrer mayores distancias, lo que reduce la energía necesaria para absorber la luz y luego emitirla a energías más bajas".

Las propiedades semiconductoras de los copolímeros de silicona también posibilitan su espectro de colores. Los electrones saltan entre los estados fundamental y excitado absorbiendo y emitiendo fotones, o partículas de luz. La emisión de luz depende de la longitud de la cadena del copolímero, que el equipo de Laine puede controlar. Las cadenas más largas implican saltos más pequeños y fotones de menor energía, lo que le da a la silicona un tono rojizo. Las cadenas más cortas requieren saltos más grandes de los electrones, por lo que emiten luz de mayor energía hacia el extremo azul del espectro.

Para demostrar la conexión entre la longitud de la cadena y la absorción y emisión de luz, los investigadores separaron copolímeros con diferentes longitudes de cadena y los colocaron en tubos de ensayo, de largo a corto. Al proyectar una luz ultravioleta sobre los tubos, se crea un arcoíris completo, ya que cada uno absorbe y emite la luz a diferentes energías.

Esta colorida disposición, basada en la longitud de la cadena del copolímero, es particularmente única, ya que, hasta ahora, solo se conocía que las siliconas eran transparentes o blancas debido a sus propiedades aislantes, que les impedían absorber mucha luz.

"Estamos tomando un material que todos creían eléctricamente inerte y dándole una nueva vida: una que podría impulsar la próxima generación de electrónica blanda y flexible", afirmó Zijing (Jackie) Zhang, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y autora principal del estudio.