Polimeros Condutores _final_

Polímeros Condutores

1

1 – Introdução.................................................................................... 2

1.1 – Do engano do Chinês ao Nobel ...............................................................................6 2 – Desenvolvimento ........................................................................ 8

2.1 – Polímeros .................................................................................................................8

2.2 – Polímeros Condutores ............................................................................................10

2.3 – Dopagem e Condutividade.....................................................................................11

2.4 – Aplicações ..............................................................................................................16

2.5 – Método prático para a produção de polímeros condutores ....................................20

2.5.1 – Vamos sintetizar Polianilina? .......................................................................21

2.6 – Vantagens e Desvantagens.....................................................................................23

3 – Conclusão.................................................................................. 27

4 – Os Premiados............................................................................ 29

5 – Referências................................................................................ 31


2

1 – Introdução

eria complicado imaginar como a sociedade actual se comportaria perante a

ausência de produtos tão essenciais como o plástico [1].

Surgem desde logo algumas perguntas:

• Onde encontramos plástico no nosso dia a dia?

• Porque é este tipo de material tão dominante na nossa era?

• Por exemplo, por que há baldes em plástico e não em chapa metálica ou madeira,

como antigamente? [2]

O termo plástico foi inventado na indústria, não representando assim um vocábulo da

linguagem científica. O plástico deve ser entendido como um material, que pode ser

modelado numa forma apropriada àquilo que se destina.

Os plásticos utilizados hoje em dia não são mais que polímeros [1].

Na verdade, os materiais poliméricos não são novos, eles têm sido usados desde a

Antiguidade. Contudo, nessa época, somente eram usados materiais poliméricos

naturais. A síntese artificial de materiais poliméricos é um processo que requer

tecnologia sofisticada, pois envolve reacções de química orgânica, ciência que só

começou a ser dominada a partir da segunda metade do século XIX. Nessa época

começaram a surgir polímeros modificados a partir de materiais naturais. Somente no

início do século XX os processos de polimerização começaram a ser viabilizados,

permitindo a síntese plena de polímeros a partir de seus meros [3].

As propriedades dos polímeros são de real importância, pois eles são capazes de

substituir metais, fibras naturais, couro. As pesquisas sobre estes compostos

intensificaram-se principalmente no período entre guerras. Na década de 70 surge a

descoberta de uma capacidade inusitada para os mesmos. Um investigador de uma

universidade no Japão, Hideki Shirakawa, descobriu acidentalmente que os polímeros

S


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podem apresentar propriedades condutoras. A partir desta altura sucederam-se as

pesquisas relativas à descoberta, desenvolvendo-se finalmente os polímeros

condutores [1].

Estes materiais são tão importantes que garantiram aos principais pesquisadores da área

o Prémio Nobel de Química de 20001 [4].

Os polímeros condutores têm assim atraído a atenção de numerosos grupos de

investigação em todo o mundo, tanto pela importância científica dos processos

envolvidos como pelo seu potencial em diferentes aplicações tecnológicas. Estes novos

materiais oferecem a possibilidade de combinar as propriedades intrínsecas dos

plásticos com o comportamento eléctrico, magnético e óptico de metais e

semicondutores permitindo deste modo o melhoramento das propriedades mais

relevantes bem como das características deficitárias [5], desenvolvendo-se assim de

maneira análoga aos metais, misturas de polímeros (blendas, co-polímeros e deposição

de lâminas).

Diversas metodologias químicas e electroquímicas têm sido empregues na síntese de

polímeros condutores com grande sucesso. E diversos são já os polímeros

condutores; entre eles o poliacetileno (já citado), polianilina, polipirrol, politiofeno, o

poli(p-fenileno) e o poli(p-fenileno vinileno), e, mais recentemente, polímeros contendo

metais de transição[1].

Todos eles são de grande interesse devido ás diversas aplicações potenciais que podem

ter, dentre as quais se destaca a produção de componentes electrónicos extremamente

pequenos (permitindo o fabrico de computadores do tamanho de um relógio ou ainda

menores), sensores de gás, ecrãs de televisão, visores de telemóveis e até mesmo a

síntese de músculos artificiais, etc...

É evidente que todas estas aplicações se traduzem em vantagens óbvias que vão

superando certas desvantagens, pois para além de todas as vantagens inerentes aos

1 No final do trabalho apresentam-se breves biografias dos premiados


4

polímeros em geral, isto é, materiais leves, de baixo custo, elevada resistência,

recicláveis entre outras [1], os polímeros condutores têm permitido, de facto,

inovações tecnológicas relevantes para o nosso quotidiano.

Tabela 1: Estrutura dos principais polímeros intrinsecamente condutores [20]

Todo o professor de ciências, durante a sua carreira, deve estar atento ao que vem

ocorrendo na comunidade científica internacional e aos avanços da química.

Assim, considerando o tema “polímeros condutores” de grande interesse na sociedade

em geral e no ensino da química em particular, e juntando o facto do pouco

conhecimento que possuía, optei por desenvolver um pouco este tema.


5

Ao longo deste trabalho, enquadrado nos seminários científicos de estágio no ensino

das Ciências Físico-químicas 2004-2005, relata-se2:

a) Como os polímeros condutores foram descobertos;

b) Como conduzem electricidade;

c) Como podem ser sintetizados;

d) As suas aplicações;

e) Vantagens e desvantagens associadas;

f) Etc.

“I do believe it is a revolution in materials,

because we really bring materials to life.”[6]

Dr. Mohsen Shahinpoor

2 No desenvolvimento do trabalho, existiriam com certeza aspectos ou conteúdos que gostaria e que mereciam um estudo mais pormenorizado. No entanto, não entendendo este trabalho como sendo uma monografia (que por si já costuma ter um limite de 30 a 40 páginas), mas sim como uma oportunidade de ficar a saber um pouco mais de um determinado assunto, optei por apresentar apenas os aspectos mais importantes, de uma forma simples e clara.


6

1.1 – Do engano do Chinês ao Nobel

descoberta dos polímeros condutores aconteceu por acidente. Em meados

dos anos 70, o químico japonês Hideki Shirakawa prescreveu a rota da

síntese do poliacetileno – o polímero de estrutura química mais simples hoje

existente (sua fórmula estrutural é formada somente por carbono e hidrogénio) – a um

de seus assistentes, que era chinês.

Em razão do fraco domínio que tinha da língua japonesa, o assistente errou na

composição molar de uma mistura catalítica importante no processo de síntese. Como

consequência, obteve uma bonita película polimérica escura e de brilho metálico,

quando deveria produzir uma certa quantidade de pó infusível [21]. Revendo a

metodologia, o estudante verificou que havia utilizado uma quantidade de catalisador

1000 vezes maior que a necessária.

Shirakawa descobriu então que, variando o solvente e as condições reaccionais (como

sejam as quantidades de catalisador), era possível obter filmes de poliacetileno com cor

de cobre e prata. Embora esses filmes de poliacetileno, parecessem metálicos, não

conduziam a electricidade tão bem como um metal [22].

Shirakawa guardou cuidadosamente o "estranho filme polimérico" – um pequeno

pedaço de plástico – e alguns anos mais tarde mostrou a "curiosidade" ao professor

Alan G. MacDiarmid que estava em visita ao Japão, devido a um encontro científico

que tinha lugar em Tóquio. Imediatamente, MacDiarmid percebeu que estava diante de

um material que pela sua constituição mecânica, pela sua cor e brilho, era um sistema

até então desconhecido. Convidou, então, Shirakawa a trabalhar com ele na

Universidade da Pensilvânia, e em conjunto iniciaram os estudos químicos e físicos

sobre o poliacetileno.

A


7

É então que decidem tratar o polímero com iodo molecular, num processo conhecido

como dopagem (figura 1).

O filme passou da sua cor prateada inicial para prata escura e com esta mudança, outras

propriedades do polímero também se alteraram.

Alan Heeger, na altura também na mesma Universidade, foi chamado a medir a

condutividade eléctrica dos filmes, tendo descoberto que a adição de 2I promovia um

aumento desta de 710 vezes. Os três cientistas publicaram o seu trabalho em 1977 e foi

esta publicação que constituiu a base da atribuição do prémio Nobel da Química do ano

de 2000, lançando a base de toda uma enorme linha de pesquisa hoje existente em

muitos centros de pesquisa no mundo: a dos polímeros electronicamente activos.

Figura 1 [22] – Efeito de dopagem do polifenileno pelo Iodo molecular. A condutividade eléctrica do polifenileno aumenta com a adição de I2, porque este pode oxidar o polímero (por remoção de um electrão) com consequente formação do catião radical (ou buraco) no polímero. A carga gerada por remoção do electrão pode passear ao longo da cadeia, como é ilustrado nas diferentes estruturas, de cima para baixo.


8

2 – Desenvolvimento

2.1 – Polímeros

á polímeros ou macromoléculas por toda a parte. Eles são os principais

constituintes do nosso corpo e dos organismos vivos (proteínas,

polissacáridos, ácidos nucleicos) e, portanto, também dos alimentos

(proteínas, amido), do vestuário (seda, lã, algodão, linho), da madeira das nossas casas

(celulose, lignina) e do papel dos nossos livros (celulose).

Essas macromoléculas são formadas por uma repetição múltipla de um grupo de

átomos conhecido por unidade estrutural, ligados covalentemente. E é precisamente

este conceito que a palavra polímero pretende transmitir (poli – muitas, meros –

unidades). A definição oficial de macromolécula acrescenta que a remoção de uma ou

de umas poucas dessas unidades estruturais das macromoléculas não altera

significativamente as respectivas propriedades. Se somente uma espécie de monómero

está presente na estrutura do polímero, este é chamado de homopolímero. Se espécies

diferentes de monómeros são empregues, o polímero recebe o nome de copolímeros. Já

as blendas são obtidas pela mistura de um ou mais homo ou copolímeros diferentes,

produzindo um terceiro material polimérico com propriedades diferentes dos seus

componentes isolados. Assim, por exemplo, a mistura do poli(p-oxi- fenileno) com

poli(estireno) produz um plástico com alta resistência ao impacto e grande

transparência comercializado com o nome de Noryl© pela GE Plastics [24].

Os polímeros referidos no inicio da página são polímeros naturais, mas interessa referir

os polímeros sintéticos produzidos pela indústria química desde os anos trinta deste

século, a partir de pequenas moléculas (monómeros), como o etileno, o cloreto de

vinilo, a hexametilenodiamina e o ácido adípico obtidos da química do petróleo.

Podemos falar desses materiais em termos de longas cadeias moleculares, cada elo da

cadeia sendo uma unidade estrutural, cada unidade estrutural derivando de uma

molécula de monómero. O número de unidades estruturais na cadeia polimérica

conhece-se por grau de polimerização.

H


9

O peso molecular das macromoléculas é obviamente o produto do peso molecular da

unidade estrutural pelo grau de polimerização respectivo.

As moléculas de um polímero de peso molecular 100 000, completamente estendidas,

tem um comprimento de cerca de 10 µm e um diâmetro de 0,5 nm. Em termos de

tamanho isto é equivalente a uma vareta de esparguete não cozido de 20 m de

comprimento. Na realidade, porém, as moléculas dos polímeros não se encontram

completamente distendidas, mas sim dobradas sobre si mesmas e emaranhadas,

assemelhando-se mais ao esparguete cozido e movediço, ou melhor, a ninhos de cobras

de diferentes comprimentos.

Os movimentos das cadeias moleculares num polímero são determinados por vários

factores entre os quais podemos destacar os seguintes:

1. Temperatura;

2. Volume livre entre as moléculas;

3. Natureza flexível ou rígida da espinha dorsal dessas cadeias, em relação com a

presença de outros átomos além do átomo de C (O ou N)e anéis benzénicos;

4. Presença, tamanho e natureza de cadeias laterais pendentes da espinha dorsal;

5. Natureza das forças intermoleculares que se estabelecem entre as cadeias

moleculares;

6. Comprimento ou peso molecular das cadeias.

Quase todas as propriedades características dos polímeros de importância tecnológica

se podem prever se se conhecerem estes factores, tal como se o polímero é amorfo ou

parcialmente cristalino, rígido ou flexível e se é solúvel em solventes orgânicos ou

aquosos.

A ideia de associar as propriedades eléctricas dos metais às propriedades mecânicas dos

polímeros ocorreu por volta dos anos 50, pela incorporação de cargas condutoras (negro

de fumo, fibras metálicas ou fibra de carbono) a estes, produzindo os chamados

“polímeros condutores extrínsecos” (extrínsecos pois a carga condutora é adicionada).

Recentemente, uma outra classe de materiais condutores, a dos “polímeros condutores

intrínsecos”, vem sendo estudada e as suas propriedades específicas têm contribuído


10

muito para uso em diversas aplicações. Estes polímeros conduzem corrente eléctrica

sem a incorporação de cargas condutoras [20].

2.2 – Polímeros Condutores

ada vez mais se tem vindo a falar dos polímeros condutores. Estes materiais

tão importantes, geralmente derivados do petróleo, conduzem a electricidade,

mas...o que faz com que os polímeros condutores sejam tão diferentes?

A corrente eléctrica é um fluxo de electrões, isto é, pequenas partículas sub atómicas

carregadas que se deslocam dentro de um material. Os electrões que se deslocam são os

que pertencem às camadas mais externas de cada átomo e por isso são aqueles que

estão envolvidos nas ligações entre os átomos. O tipo da ligação química vai determinar

a disponibilidade do deslocamento destes electrões. A ligação metálica permite o fácil

deslocamento dos electrões, usando-se assim os metais como condutores eléctricos há

mais de um século.

As ligações covalentes presentes nos polímeros são feitas através de pares de electrões

localizados entre os dois átomos e com barreiras de energia potencial que impedem o

seu deslocamento ao longo do material.

Contudo há várias excepções. A grafite por exemplo é um material composto apenas

por átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes simples e duplas,

alternadas. Um átomo pode desfazer a ligação dupla com um vizinho e refazê-la com

outro. Assim, ele recolhe o electrão que era compartilhado com um vizinho e

compartilha-o com outro, ou seja, a carga eléctrica desloca-se dentro do material.

A grafite é um condutor eléctrico mas tem o inconveniente de ser frágil e quebradiça. A

indústria deseja condutores de baixo custo, não poluentes, de baixa densidade, que

possam ser moldados em vários formatos ou obtidos na forma de fios e principalmente

com alta condutividade eléctrica.

C


11

Nasce pois aqui todo o interesse nos polímeros condutores. Estes (que se formam por

reacções de polimerização), apresentam sequências de átomos de carbono ligados a

átomos de hidrogénio (polímero mais simples). Os átomos de carbono encontram-se

ligados entre si por ligações simples e duplas alternadas, isto é, são cadeias poliméricas

com uma sequência de ligações duplas C=C conjugadas [7].

Figura 2 – Poliacetileno [7]

As ligações duplas implicam que cada átomo de carbono tenha uma orbital não híbrida

do tipo p. Estas orbitais formam a segunda ligação da ligação dupla, a qual pode ser

feita com um ou outro átomo vizinho. O electrão desta orbital pode então deslocar-se ao

longo da sequência de átomos de carbono, isto é, ao longo da molécula, “colaborando”

para a corrente eléctrica. No entanto, e como iremos ver, as ligações duplas conjugadas

não são suficientes para criar a condutividade.

2.3 – Dopagem e Condutividade

uitos destes polímeros são usados hoje em dia. Vejamos o

comportamento de um dos mais famosos, o poliacetileno, representado na

sequência a seguir.

M Agente Dopante


12

…

Figura 3 [8]


13

Como foi referido acima, a ligação dupla conjugada não é condição por si só para criar

a condutividade.

Figura 4 [9]

Se é um facto que esta propriedade, tal como as propriedades electroquímicas, depende

do facto destes materiais possuírem longas cadeias poliméricas conjugadas, que através

de unidades repetitivas interagem via sistema de electrões p (provocando a formação de

orbitais moleculares e respectivas transições entre níveis (ver figura 4), no caso do

poliacetileno e nos polímeros condutores em geral, torna-se também necessário

“dopar” a molécula (ver a figura 5).

Síntese de Polímetros condutores

POLIACETILENO

YODOSODIO em MERCURIO

Figura 5 [10]


14

Os polímeros intrinsecamente condutores passam de isolantes a condutores através de

processos reversíveis de oxidação e redução do sistema p conjugado, diferenciando-se

dos polímeros redox (os quais também contêm grupos electronegativos mas não

possuem sistemas p conjugado e não conduzem a corrente eléctrica). Isto significa que

para obtermos polímeros condutores se torna imprescindível que as cadeias

poliméricas vão perdendo ou ganhando electrões por meio das tais reacções de

oxidação redução.

Figura 6 [9]

O processo envolve a remoção/adição de electrões e tem como consequência a

formação de cargas positivas (ou negativas) deslocalizadas, as quais são neutralizadas

pelos aniões (ou catiões). Deste modo, quando um campo eléctrico é aplicado, os

electrões livres passam a mover-se velozmente ao longo da cadeia molecular, criando a

condutividade. A direcção da reacção de “dopagem” pode ser controlada por meio da

intensidade do campo eléctrico aplicado ao polímero e, com isso, é possível ligar e

desligar a molécula condutora [11].


15

O jogo ao lado (figura 7) corresponde a um modelo simples de um polímero dopado.

As suas peças não podem ser movimentadas se não houver pelo menos um “buraco”

vazio. Num polímero condutor que foi dopado por

oxidação (remoção de electrões: equivalente à criação

dos buracos no jogo), cada peça corresponde a um

electrão que pode pular para um buraco deixado vazio

por outro electrão, o que cria um movimento de

electrões ao longo da molécula – uma corrente

eléctrica. Ressalte-se que este modelo corresponde a

uma grande simplificação, mas dá uma ideia

aproximada de como um polímero se torna condutor

[23].

Figura 8 [24]

Consoante o comportamento perante a “dopagem”, assim estes materiais conduzem

melhor ou pior a corrente eléctrica e apresentam assim diferentes valores em escalas de

condutividade (como verificamos na figura 8).

Debrucemo-nos agora sobre as propriedades ópticas e eléctricas características destes

polímeros. Estas relacionam-se com sua conformação molecular, podendo ser

modificadas pela introdução de grupos à cadeia polimérica, pela variação da

temperatura, pressão, interacção com solventes ou pela aplicação de um potencial

eléctrico. De uma forma simplista, os polímeros condutores reagem a estímulos.

Figura 7 [23]


16

Figura 9 [9]

Verificamos na tabela acima que os estímulos conduzem a respostas várias as quais

permitem aplicar estes materiais nas mais diversificadas situações.

2.4 – Aplicações

polianilina (derivada da mesma substância usada como corante em doces), é

um polímero condutor com grande aplicação no nosso dia-a-dia. Usa-se em

cabos coaxiais, em baterias recarregáveis, e na forma de lâminas (filmes)

finas, em ecrãs de televisores e de monitores de computador.

Figura 10 [7]

A


17

Outro polímero condutor eficiente é o polipirrol que contém átomos de azoto os quais

contribuem para a sua condutividade. Este aplica-se nas chamadas “janelas

inteligentes” pois, sob luz de sol forte, pode passar de amarelo-esverdeado transparente

para azul-escuro opaco. O polipirrol não reflecte microondas e por isso é usado em

roupas de camuflagem para evitar a detecção por radares [7].

Figura 11 [7]

Alguns polímeros condutores têm ainda outra propriedade: emitem luz quando

conduzem electricidade – fenómeno conhecido como electroluminescência –

dependendo do potencial que é aplicado. Estes polímeros são conhecidos como LEP –

light emitting polymers e podem ser usados na produção de dispositivos capazes de

emitir luz [6].

Filmes finos de poli-p-fenilenovinileno, PPV, emitem luz quando expostos a um campo

eléctrico. Variando a composição do polímero, as emissões de luz ocorrem em várias

cores. Este material já é usado em mostradores como LED’s (“light-emitting diode” ou

diodo emissor de luz). Os mostradores de PPV actuais duram apenas 10% do tempo

esperado para os mostradores fluorescentes tradicionais, mas estão a ser melhorados e

são fortes candidatos à substituição dos ecrãs de televisão e computadores actuais [7].

Figura 12 [7]


18

Imaginemos agora que alguém veste uma camisa vermelha. Ao girar um botão oculto

na manga da camisa ela muda cor. Ao girar-se novamente o botão, o bolso da camisa

passa a exibir o filme ou programa de televisão pretendido. Esta, por mais incrível que

pareça é apenas mais uma das inovações tecnológicas prometidas pelos LEPs [6].

E num futuro próximo...

... e muitas outras inovações.

Talvez das mais relevantes aplicações dos polímeros condutores é sem dúvida a sua

utilização como músculos artificiais. São os primeiros produtos comerciais fabricados

utilizando polímeros electroactivos incrementados (EAPs, na sigla em Inglês) [12].

Figura 15 [6]

Estes materiais bastante leves são capazes de se distender e contrair significativamente

em comprimento ou volume quando sujeitos a estimulação eléctrica. Estas substâncias

Figura 13 – relógio LEP multi-uso [6] Figura 14 – painel LEP activo para automóveis [6]


19

podem servir como condutores para novos dispositivos de geração de movimento

(geralmente chamados de actuadores), abrindo caminho para a substituição de motores

eléctricos, que normalmente são grandes e pesados demais para aplicações de pequena

escala [6].

Uma nova geração de materiais poliméricos electroactivos demonstra resposta física

suficiente a estímulos eléctricos para alimentar novos tipos de actuadores assim como

sensores inovadores e geradores de energia. Produtos baseados nesta tecnologia de

“músculos artificiais” estão a chegar ao mercado.

Os polímeros condutores podem assim ser utilizados como músculos artificiais.

Alguns podem-se estender ou contrair (dependendo como se disse do potencial

eléctrico aplicado), tal como um músculo natural. Estes

músculos podem servir como mecanismos de propulsão

alternativos, ou mesmo como substituto de músculos

humanos lesados. Um dos polímeros mais utilizados como

músculo artificial é a poliacrilonitrila (PAN) (fibras deste

polímero, no estado sólido, contraem-se ou expandem-se em

função do pH do meio externo ou do potencial aplicado). Os

resultados mostram que este polímero é mais forte do que o

músculo humano [12].

Além destas aplicações, estas moléculas condutoras têm igualmente sido usadas na

produção de substâncias anti-estáticas para filmes fotográficos, protectores contra a

radiação electromagnética emitida por ecrãs de computadores ou inibidores de

corrosão. São as chamadas blendas (misturas) de polímeros condutores as quais mais

não são do que polímeros intrinsecamente condutores combinados com

termoplásticos, elastómeros, plásticos de engenharia, etc, a fim de atingir campos

específicos de aplicações tecnológicas.

Figura 16 – Membro Robótico [12]


20

Figura 18 [6]

Vejamos então de forma resumida e esquematizada as muitas aplicações destes

polímeros.

Figura 17 [9]

2.5 – Método prático para a produção de polímeros condutores

as a construção de dispositivos reais e úteis a partir dos polímeros

condutores requer um grau de manipulação química difícil e

complicado. Porém as intensas pesquisas nesta área dos materiais têm-

nos trazido eficientes soluções.

Foi com base nos resultados satisfatórios obtidos, que reputados

investigadores desenvolveram um método de crescimento

(produção) de polímeros condutores, que eles baptizaram de

polimerização de superfície por deposição assistida por iões.

Segundo este método, procede-se a uma polimerização, ou

conexão química, de pequenas moléculas sobre uma superfície,

para formar uma grande molécula. Isto ocorre por um processo de

M


21

deposição ião-assistido. Basicamente, funciona a partir de uma superfície sobre a qual

queremos que cresça um filme finíssimo. Para tal colocamo-la numa câmara de vácuo.

Retira-se todo o ar e, simultaneamente, depositam-se iões carregados sobre a superfície

bem como se vão vaporizando as moléculas neutras sobre ela. Estes iões e as moléculas

neutras juntam-se na superfície e formam um filme polimérico contínuo. Conseguimos

assim, controlar a química e o formato da superfície em escala nanométrica. Isto

permite que controlemos o que será o filme em escala sub-nanométrica.

Esta descoberta é apenas mais uma ferramenta que poderá permitir a produção de

dispositivos reais e práticos, a partir dos polímeros condutores. Os pesquisadores estão

tão optimistas com este método que acreditam ser capazes de descobrir novos materiais

a partir da sua aplicação [13].

2.5.1 – Vamos sintetizar Polianilina? [20]

ara conhecer de perto um polímero condutor nada melhor do que sintetizar um.

A seguir é mostrado como se prepara a polianilina, um dos polímeros

condutores mais conhecidos.

Antes de começar a experiência, é preciso ter a certeza de que se dispõe de um

laboratório seguro, com hotte e equipamentos de segurança, pois haverá libertação de

vapores corrosivos e irritantes durante a dissolução dos reagentes. Também é

necessário o uso de bata, óculos de segurança e luvas, cuidados que devem ser usuais

no laboratório para que se evitem ferimentos em caso de acidente.

Recorde-se: o ácido é corrosivo e pode queimar a pele e a anilina é tóxica, pode conter

um subproduto que causa cancro e o Persulfato de Amónio, ( )4 2 2 8NH S O , é altamente

oxidante, portanto deve-se evitar contacto com os reagentes.

Material necessário:

• Balão de fundo redondo de 250 ml;

• Termómetro;

• Garra metálica;

P


22

• Vareta e agitador magnético (pode não girar constantemente com a deposição de

sólido);

• Tina onde será colocado o balão em banho de gelo e sal grosso;

• Funil de Büchner;

• Kitazato;

• Trompa de vácuo;

• Dessecador com 2CaCl ;

• Balança;

• Multímetro;

Reagentes

• 100 ml de solução de 1 /HCl mol L

• 2 ml de anilina

• 6 g de ( )4 2 2 8NH S O

Procedimento

Montar o balão. Dissolver a anilina em 20 ml de solução de HCl dentro do balão.

Manter o balão dentro da Tina, contendo o gelo e o sal grosso, procurando manter o

sistema a 10ºC− .

Separadamente, dissolver o ( )4 2 2 8NH S O no restante da solução de HCl . Adicionar

lenta e cuidadosamente a solução de ( )4 2 2 8NH S O ao balão contendo a anilina, sob

agitação.

Manter a agitação durante 2 horas. O meio reaccional deverá mudar de coloração,

podendo passar por tons de vinho, roxo e azul até começar a se depositar o precipitado.

Filtrar o precipitado usando o funil de Büchner sob vácuo, lavando-o com solução de

1 /HCl mol L .

Secar no dessecador contendo 2CaCl . Monitorizar a secagem, pesando o sólido

periodicamente até a massa ser constante, o que pode levar alguns dias. O material

obtido será um pó com coloração escura, quase preta e tonalidade esverdeada e não se

Figura 19 [20]


23

parece nada com os polímeros utilizados em embalagens, utensílios domésticos,

carcaças de equipamentos, entre outros. Quando o polímero estiver seco, fazer uma

pastilha para infravermelho. Medir a condutividade com um multímetro e comparar

com vários tipos de plásticos e borrachas. Separar uma parte da polianilina e coloca-la

em meio básico (solução de NaOH , por exemplo). A coloração muda de esverdeado

para azulado.

Filtrar, lavar com água destilada e secar (desta vez em estufa).

Fazer uma nova pastilha e medir a condutividade com o multímetro. Comparar com a

amostra anterior.

A primeira amostra estava dopada com HCl , sendo condutora, na segunda o dopante

foi removido, tornando a polianilina isolante.

2.6 – Vantagens e Desvantagens

onstatamos pois que os polímeros condutores nos vieram oferecer vastas e

importantes aplicações nas mais diversas áreas, (quer seja industrial, médica,

de divertimento...), ou seja, significam vantagens.

E estas vantagens são ainda mais vincadas quando se produzem blendas (ver figura ao

lado). Estas mantêm as propriedades condutoras dos polímeros e as propriedades

elastoméricas da borracha podendo ser produzidas a baixo custo. Estas blendas

substituem os materiais tradicionalmente utilizados no

mercado – EPDM com negro de fumo – com maior

elasticidade, maior condutividade eléctrica, sem necessidade

de vulcanização e com menos etapas de processamento

industrial. Na mistura de polímeros condutores com

termoplásticos, a grande vantagem está na possibilidade de

moldar o material a quente, em qualquer formato, o que é

importante para produzir componentes electrónicos.

C

Figura 20 [17]


24

Por exemplo a corrosão metálica é um grave problema tecnológico que causa grandes

despesas anuais em todo o mundo (a corrosão de aeronaves por exemplo, causa um

custo anual à Força Aérea dos Estados Unidos de aproximadamente 1.000.000.000 de

euros). Actualmente, o mundo não está

preocupado unicamente com gastos

dispendiosos para manutenção de materiais

metálicos; também, há excessiva preocupação

quanto aos métodos de recobrimento empregues

na protecção anticorrosiva (principalmente,

cromatação). Cromatos e dicromatos são

extremamente prejudiciais ao meio ambiente e

podem provocar tumores cancerígenos aos seres

humanos. Por isso, revestimentos estratégicos

de polímeros intrinsecamente condutores electrónicos para a protecção à corrosão

metálica têm-se revelado extremamente vantajosos. A figura 21 mostra claramente a

acção do filme polimérico já que a corrente é várias vezes menor que a corrente de

dissolução do ferro [14].

Outras vantagens destes materiais condutores são os de entrarem na composição de

produtos de pequena escala e alto valor agregado. Entre tais produtos estão os filmes

eletrocrómios, por exemplo, feitos para isolar prédios climatizados da luz e do calor.

Estes filmes seriam aplicados nas janelas e portas de vidro dos chamados edifícios

“inteligentes”, com resultados bem mais eficientes do que os vidros “fumados” ou

espelhados, capazes de isolar a luz, mas não o calor. Os polímeros condutores têm

ainda a vantagem de serem utilizados na produção de super capacitores, dispositivos

para armazenamento de energia, capazes de descarregar em curto espaço de tempo. Os

super capacitores feitos com tais polímeros custariam muito menos e teriam a mesma

performance dos super capacitores comerciais, utilizados em componentes electrónicos

[15].

Figura 21 [14]


25

Bastante importante de referir será a vantagem da ut ilização destes polímeros no

fabrico das células voltaicas – esta pesquisa encontra-se ainda em fase experimental –

(ver figura ao lado). Eles substituiriam o silício, normalmente utilizado nestes

dispositivos, cuja função é transformar energia luminosa

em corrente eléctrica. Neste caso, a eficiência de

conversão dos polímeros seria inferior à do silício, porém

o custo financeiro é muito mais baixo e o custo

energético também. Tudo isto quer dizer que precisamos

de uma área de painéis solares maior para produzir

energia com os polímeros, mas o custo bem inferior pode

tornar as células fotovoltaicas viáveis para aplicações

específicas [15].

Apesar do enorme interesse nestes compostos, ainda é recente o seu ganho de

importância e consequente interesse na sua pesquisa.

Por isso existem ainda desvantagens associadas às suas aplicações, tais como:

qualidade do polímero devido ao efeito da síntese, propriedades físicas não coerentes

(solubilidade, condutividade, etc.) e incompatibilidade na formação de misturas. A

introdução de grupos funcionais polares e de grupos alquilo longos e flexíveis, ligados

quimicamente à cadeia principal do polímero, é um artifício que permite obter

polímeros solúveis em diferentes solventes orgânicos, o que facilita a sua

caracterização e processabilidade e vai deste modo eliminando possíveis dificuldades

[16].

Uma outra desvantagem dos polímeros condutores (que pode ser vencida com a

preparação de blendas) é a de não poderem ser sintetizados pelos métodos usados em

grande escala pela indústria de plásticos e borrachas (blendas ac*).

Existem também desvantagens específicas em relação aos vários tipos de polímeros

condutores. Por exemplo, relativamente ao poliacetileno, este tem como limitações a

baixa estabilidade ambiental pois oxida-se facilmente ao ar, o baixo grau de

ordenamento ou cristalinidade e a alta densidade de portadores e baixa mobilidade de

Figura 22 [18]


26

portadores (estas desvantagens também podem ser resolvidas caso se obtenha o

poliacetileno orientado e caso as cadeias sejam orientadas depois da polimerização).

Uma desvantagem que também começa a ser superada prende-se com o facto de os

polímeros condutores ainda não serem largamente explorados comercialmente e

poucos são os exemplos de sua utilização comercial. Dentre os quais pode-se citar a

produção de polianilina e algumas de suas blendas pela Neste Chemicals (Finlândia),

Allied Chemicals (Estados Unidos) e Zipperling & Kessler (Alemanha) [19].


27

3 – Conclusão

Como os materiais constituem o suporte físico, e muitas vezes também funcional, de

todos os objectos, estruturas e sistemas que utilizamos nas mais diversas vertentes da

nossa vida quotidiana, a capacidade para seleccionar, fabricar, e utilizar materiais tem

estado sempre no caminho crítico das respostas a muitos dos desafios de natureza,

determinantes na evolução da Humanidade;

È aqui que surge uma enorme importância na síntese de polímeros condutores que se

deve, principalmente ao facto de estes poderem ter uma vasta aplicação. No entanto

como qualquer descoberta recente, estes materiais ainda trazem associadas algumas

desvantagens, as quais contudo começam a ser superadas com o desenvolvimento cada

vez mais acentuado da sua pesquisa. É pois evidente neste trabalho que o balanço entre

vantagens e desvantagens começa a pender claramente para o lado das primeiras, o que

permite afirmar que o futuro da indústria, bem como de outras áreas, passará

impreterivelmente pelos polímeros condutores.

Apesar de já existirem produtos comerciais usando polímeros condutores, a área para

aplicações ainda se encontra inteiramente em aberto e no futuro próximo poderão surgir

novas e importantes aplicações tecnológicas que ainda não foram equacionadas.

Recentemente, cientistas da Universidade do Texas em Austin, EUA, relataram o uso

de um novo biomaterial, um polímero condutor aditivado com açúcar. Este material foi

usado para acelerar o crescimento e reparação de nervos danificados, com bons

resultados.

No que se refere à contextualização no ensino das ciências Físico-Químicas, dos

conteúdos abordados neste trabalho, posso dizer que:

Dado o tema ser muito actual, em termos da interligação Ciência – Tecnologia –

Sociedade – Ambiente (CTSA), ele poderá ser abordado em qualquer altura em que se

discuta a “Química dos compostos de carbono” e/ou a importância das macromoléculas

no dia-a-dia, nomeadamente na Indústria;


28

No ensino das ciências Físicas e Naturais, 3º ciclo, este tema pode inserir-se na Unidade

“Terra em Transformação”, nomeadamente na subunidade “Materiais” (constituição do

mundo material, propriedades físicas e químicas dos materiais) e ainda na Unidade

“Viver melhor na Terra”, subunidade “Classificação dos materiais” (Propriedades dos

Materiais, Estrutura atómica, Ligação química) [25];

No ensino secundário, este tema é de particular interesse no 12º ano aquando do estudo

da “Unidade 3: Plásticos, vidros e novos materiais”. O que se propõe nesta Unidade é a

interpretação da estrutura química de materiais com estrutura “gigante” (vítrea,

cristalina e polimérica). Não se pretende fazer um aprofundamento do conhecimento

químico associado aos novos materiais mas apenas, proporcionar a oportunidade para

discutir questões novas, que a produção de novos materiais sempre acarreta, e a

necessidade de promover a investigação sobre a sua produção (devido ao esgotamento

de matérias-primas tradicionais e à procura de soluções para novas situações). A síntese

de “materiais por medida” é uma exemplificação de como as questões sociais

pressionam a investigação científica (procura de materiais mais adequados,

ambientalmente mais compatíveis e economicamente mais viáveis) [26].


29

4 – Os Premiados

Alan G. MacDiarmid

Nasceu em 1927, em Masterton, na Nova Zelândia; é cidadão

americano. Mestre em ciências (1950) pela Universidade da Nova

Zelândia, doutorou-se pela Universidade de Wisconsin (1953) e

pela Universidade de Cambridge (1955).

Ainda em 1955, passou a ser professor do Departamento de

Química da Universidade da Pensilvânia, em Filadélfia, onde

desde 1988, ocupa a Cadeira Blanchard de Química. Em 1999

recebeu o Prémio de Química de Materiais da Sociedade Americana de Química.

Nos últimos 20 anos, tem estado envolvido exclusivamente com polímeros condutores,

particularmente com a síntese, a química, a dopagem, a electroquímica, a

condutividade, as propriedades ópticas e magnéticas e o processamento da polialinina.

Detém mais de 20 patentes registadas e é autor de mais de 600 publicações académicas.

Alan J. Heeger

Nasceu em 1936, em Sioux City, estado de Iwoa, nos EUA.

Bacharel em ciências (1957) pela Universidade de Nebraska,

doutorou-se em física (1961) pela Universidade da Califórnia,

em Berkeley. De 1962 a 1982 foi professor no Departamento de

Física da Universidade da Pensilvânia, em Filadélfia, onde foi

director do Laboratório para Pesquisas sobre a Estrutura da

Matéria (1974 a 1981). Desde 1982 é professor de física na

Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB), onde a partir de 1987 também

se tornou professor de materiais (na Engenharia); foi director do Instituto de Polímeros

e Sólidos Orgânicos (1982 a 1999). Detém mais de 40 patentes registradas e é autor de

mais de 650 publicações académicas. Em 1990, juntamente com o seu colega Paul

Smith, professor de materiais na UCSB, fundou a empresa Uniax Corporation.

Inicialmente voltada para o desenvolvimento de um método prático para fundir


30

polianilina e para o seu processamento em solução, logo a empresa passou a investigar

polímeros electroluminescentes e seus usos em aparelhos poliméricos emissores de luz;

actualmente já dispõe de protótipos de diodos orgânicos emissores de luz – OLEDs. Em

Março de 2000, a Uniax foi comprada pela Dupont Displays do grupo da

Dupont/Technologies.

Hideki Shirakawa

Nasceu em 1963, em Tóquio, Japão. Doutorou-se (1966) pelo

Instituo de Tecnologia de Tóquio, onde permaneceu como

pesquisador no Laboratório de Recursos Químicos.

No final da década de 70, após a descoberta dos polímeros

condutores com Heeger e Macdiarmid, passou a ser professor de

química no Instituto de Ciências dos Materiais da Universidade

de Tsukuba. Actualmente, em decorrência de sua aposentadoria

no 1º semestre de 2000 é professor emérito dessa universidade. Autor de mais de 300

publicações científicas, é o primeiro japonês a ganhar o Prémio Nobel desde 1987. Em

Novembro de 2000, também recebeu a Ordem da Cultura do governo Japonês.


31

5 – Referências

[1] http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/respostas/polim_condt.htm;

[2] http://www.gorni.eng.br/intropol.html

[3] http://www.coladaweb.hpg.ig.com.br/quimica/materiais_polimericos.htm;

[4] http://www.cdcc.sc.usp.br/ciencia/artigos/art_04/polimero.html;

[5] http://www.iq.usp.br/wwwdocentes/rtorresi/portugues/interesse/caracteriz.htm;

[6] http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/exemplar14.html;

[7] http://www.cdcc.sc.usp.br/ciencia/artigos/art_04/polimero.html

[8] http://www.sobiografias.hpg.ig.com.br/AlanJHee.html;

[9] http://policond8.iqm.unicamp.br/~mdepaoli/arquivos/1- introducao.pdf;

[10] http://www.ramos.utfsm.cl/cmat/tecpoli/03%20Trabajos2003/Avance%203/POLIMERO

CON.ppt

[11] http://www.sbq.org.br/ranteriores/23/resumos/0037-1;

[12] http://www2.uol.com.br/sciam/conteudo/materia/materia_33.html;

[13] http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/010160030225.html;

[14] http://www.iq.usp.br/wwwdocentes/rtorresi/portugues/interesse/protecao.htm;

[15] http://www11.agestado.com.br/cet/caplic97/ca37.htm;

[16] http://www.iqsc.usp.br/iqsc/grupos_pesquisa/grupo.asp?registro=2;

[17] http://policond8.iqm.unicamp.br/~mdepaoli/arquivos/4-blendas.pdf;

[18] http://policond8.iqm.unicamp.br/~mdepaoli/arquivos/6c-aplicacoes.pdf;

[19] http://www.saofrancisco.edu.br/laboratorios/campus_it/lcam/areasatuacao.asp;

[20] QUIMICA NOVA NA ESCOLA, Polímeros condutores, nº11, Maio 2000

[21] http://www.usp.br/jorusp/arquivo/2000/jusp527/manchet/rep_res/rep_int/pesqui1.

html

[22] De Melo, J. Sérgio Seixas ; Química de Polímeros ; Imprensa da Universidade,

Coimbra ; 2004 ; 409-411

[23] Química Nova na Escola, Prémio Nobel 2000, nº12, Novembro 2000

[24] Química Nova na Escola, Plásticos Inteligentes, Edição especial, Maio 2001

[25] Ministério da Educação, Ciências Físicas e Naturais, Orientações curriculares 3º Ciclo

[26] Ministério da Educação, Programa de Química 12º ano, Curso Científico-Humanístico de Ciências e Tecnologias, 2004

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