Las nanofibras de polianilina son una forma de polianilina de alto aspecto , un polímero que consta de monómeros de anilina , que aparece como hilos largos y discretos con un diámetro promedio de entre 30 nm y 100 nm. La polianilina es uno de los polímeros conductores más antiguos que se conocen , ya que se conoce desde hace más de 150 años. [2] Las nanofibras de polianilina a menudo se estudian por su potencial para mejorar las propiedades de la polianilina o por tener propiedades beneficiosas adicionales debido a la adición de una nanoestructura al polímero. [2] Las propiedades que hacen que la polianilina sea útil también se pueden ver en la forma de nanofibras, como su fácil síntesis, estabilidad ambiental y química simple de dopaje / desdopaje ácido / base . Estas y otras propiedades han llevado a la formación de diversas aplicaciones para las nanofibras de polianilina como dispositivos de memoria de actuadores y sensores .
Los métodos para la polimerización de nanofibras de polianilina que se ven en la literatura incluyen principalmente polimerización [redox|oxidativa química], síntesis interfacial y métodos de "mezcla rápida". [3] [4] [5] [6] Otros métodos menos comunes incluyen la siembra de nanofibras , la electrosíntesis , el electrohilado y la polimerización preformada en soluciones diluidas de anilina. [7]
La polimerización oxidativa química es un método tradicional y comúnmente utilizado para la polimerización de anilina en grandes cantidades. [2] Cuando la anilina se mezcla con un oxidante en una solución ácida, se producirá la polimerización. El parámetro más importante a controlar en este método para la síntesis de nanofibras de polianilina es el dominio de la nucleación homogénea sobre la nucleación heterogénea . La nucleación homogénea describe cuando los núcleos se forman espontáneamente en solución, mientras que la nucleación heterogénea describe cuando los núcleos crecen en otras especies. En las primeras etapas de esta polimerización, sólo se forman nanofibras ya que no hay heteronúcleos disponibles para la nucleación heterogénea. Sin embargo, si la reacción no se controla, la nucleación heterogénea comenzará a dominar ya que la polianilina crecerá preferentemente sobre las partículas existentes, lo que provocará una aglomeración irreversible. Se puede hacer que la reacción favorezca la nucleación homogénea en todo momento aumentando la velocidad de reacción, la temperatura de la reacción y permitiendo que la reacción avance sin agitación. [2]
El diámetro de las nanofibras de polianilina se puede controlar con este método mediante la elección del ácido. El ácido clorhídrico produce nanofibras con un diámetro de aproximadamente 30 nm, mientras que el ácido canforsulfónico y el ácido perclórico producen un diámetro de 50 nm y 120 nm respectivamente. [2] Bajo métodos sintéticos normales, los derivados de polianilina, como los que están sustituidos con alquilo y flúor , no exhiben una forma fibrosa bien definida; sin embargo, en presencia de un oligómero de anilina, se pueden sintetizar nanofibras de ciertos derivados. [2] Si bien el oxidante más común es el peroxidisulfato de amonio (APS), se pueden usar varios otros. Un estudio muestra el uso de biyodato de potasio (KH(IO 3 ) 2 ) como oxidante, afirmando que produce nanofibras de polianilina que son más largas, tienen mayor cristalinidad y mayor conductividad eléctrica . [8]
En la síntesis interfacial, la polimerización ocurre en la interfaz entre una capa acuosa y una orgánica . [4] [6] Una reacción típica implica una solución acuosa de ácido y oxidante y una capa orgánica de anilina juntos. Esto crea la interfaz reactiva para que se produzca la polimerización. A medida que avanza la polimerización, las nanofibras de polianilina se difundirán en la capa de agua, dejando la interfaz reactiva. Esto evita el crecimiento excesivo de los cables existentes, permitiendo que continúe ocurriendo una nucleación homogénea. Se pueden ajustar las condiciones en la síntesis interfacial, como el tipo de ácido utilizado y el oxidante utilizado.
Las nanofibras de polianilina también se pueden sintetizar mediante reacciones de "mezcla rápida". [6] Este método intenta evitar el crecimiento excesivo que comprometería la naturaleza de las nanofibras del polímero deteniendo la polimerización inmediatamente después de que se hayan formado las nanofibras. Esto se logra mezclando rápidamente el monómero, la anilina y una solución iniciadora. Al comienzo de la reacción, el iniciador se consume rápidamente y se agota por completo cuando se forman las nanofibras. Sin restos de iniciador, se detiene la síntesis de polianilina.
Se han utilizado nanofibras de polianilina en la creación de actuadores monolíticos . [9] Se pueden utilizar en esta aplicación debido a su capacidad para soldarse por flash. [2] Cuando se expone a la luz , la polianilina convierte la energía absorbida directamente en calor. En una película de polianilina, el calor se dispersa por todo el polímero. Sin embargo, en las nanofibras de polianilina, el calor queda atrapado dentro de las fibras individuales. Por lo tanto, si la intensidad de la luz es lo suficientemente grande, hará que la temperatura de las nanofibras aumente rápidamente, lo que hará que se suelden o se quemen. Con una intensidad de flash moderada, las nanofibras se derretirán rápidamente para formar una película suave. Usando máscara, se pueden realizar soldaduras en patrones específicos usando esta técnica. En una muestra de nanofibras lo suficientemente gruesa, solo se soldará el lado expuesto al destello, creando una película asimétrica donde un lado permanece intacto como nanofibras mientras que el otro lado se reticula efectivamente debido a la soldadura. Estas películas asimétricas demuestran una rápida actuación reversible en presencia de ácidos y bases, en forma de curvatura y curvatura. Las ventajas que tienen las películas asimétricas de nanofibras de polianilina sobre otros actuadores incluyen la facilidad de síntesis, un gran grado de flexión, modelabilidad y ausencia de delaminación. Estos actuadores podrían usarse en el desarrollo de micropinzas, microválvulas, músculos artificiales, sensores químicos y estructuras de actuadores modelados. [9]
Las investigaciones han demostrado que las nanofibras de polianilina también se pueden utilizar para crear dispositivos de memoria digital de plástico no volátil cuando se decoran con diversos metales , como oro , nanopartículas . [10] Las nanopartículas de oro se cultivan dentro de nanofibras de polianilina desdopadas mediante una reacción redox. Se coloca una película compuesta de plástico entre dos electrodos y se utiliza una polarización externa para programar los estados ON-OFF. Se cree que el mecanismo de conmutación se debe a una interacción entre las nanofibras de polianilina y las nanopartículas de oro, donde la carga se transfiere a las nanopartículas de oro desde las nanofibras de polianilina debido a un campo eléctrico inducido . Se ha demostrado que el cambio entre los estados ON y OFF es rápido, con tiempos inferiores a 25 ns. El tiempo de retención de estos dispositivos simples es del orden de días después de la programación , y se han demostrado ciclos de escritura, lectura y borrado .
Se ha demostrado que las nanofibras de polianilina tienen un éxito increíble como sensores químicos , ya que en numerosas pruebas funcionan mejor que las películas de polianilina convencionales. [11] Esta diferencia de rendimiento se ha atribuido a su alta superficie , porosidad y pequeños diámetros que mejoran la difusión de materiales a través de las nanofibras. Los sensores de nanofibras de polianilina funcionan mediante un cambio en la resistencia . La película de nanofibras de polianilina se coloca sobre un electrodo , por donde fluye una corriente . La resistencia del electrodo cambia cuando el objetivo interactúa con la película, lo que permite detectar el objetivo.
Un estudio propone la creación de sensores de gas hidrógeno utilizando nanofibras de polianilina. [12] Muestra que las nanofibras de polianilina dopadas y desdopadas se pueden utilizar para la detección de gas hidrógeno a través de cambios de resistencia, pero las nanofibras desdopadas eran más estables y tenían mejor reproducibilidad.
Otro estudio muestra el potencial de las nanofibras de polianilina como sensores de gas NO 2 . [13] El gas NO 2 actúa como un fuerte agente oxidante de la forma esmeraldina de las nanofibras de polianilina, lo que provoca cambios de resistencia superiores a tres órdenes de magnitud a 100 ppm.
Los objetivos de detección se pueden ampliar agregando materiales a las nanofibras de polianilina. Un estudio propone compuestos de nanofibras de polianilina con sales metálicas para la detección de sulfuro de hidrógeno . [14] El sulfuro de hidrógeno es un ácido débil que es peligroso a bajas ppm, pero las nanofibras de polianilina solo pueden dar una respuesta sólida a los ácidos fuertes. Las sales metálicas pueden reaccionar con el sulfato de hidrógeno para formar un precipitado de sulfuro metálico y un ácido fuerte. Combinando sales metálicas y nanofibras de polianilina, se puede realizar la detección de sulfuro de hidrógeno.
Otro estudio decoró nanofibras de polianilina con nanopartículas de oro para detectar compuestos volátiles de azufre en el aliento humano espirado . [15] Estos sensores pueden usarse potencialmente en diversos análisis del aliento y también en el diagnóstico de enfermedades con gases biomarcadores de mal olor.
También se han preparado sensores de humedad utilizando nanofibras de polianilina. [16] Estos sensores se prepararon mediante electrohilado de una solución de N,N-dimetilformamida de nanofibras de polianilina, poli(vinilbutiral) (PVB) y poli(óxido de etileno) (PEO). Se demostró que estos sensores tienen una alta sensibilidad , con cambios de resistencia de tres órdenes de magnitud. Además, los sensores mostraron una buena linealidad de detección, una respuesta rápida, pequeñas histerias y una buena repetibilidad.