Tecnología de Semiconductores, Sistemas de Energía y Química de Polímeros

Dispositivos Semiconductores: LEDs y Celdas Solares

Tanto los LED como las celdas solares son dispositivos semiconductores basados en una unión p-n y en la existencia de bandas de valencia y conducción.

En ambos intervienen electrones y huecos como portadores de carga. Sin embargo, su funcionamiento es inverso:

El Diodo LED

En un LED, la aplicación de una corriente eléctrica provoca la recombinación de electrones y huecos, emitiéndose energía en forma de luz (electroluminiscencia) y calor, que es proporcional al salto de banda del material semiconductor. El color de la luz depende del gap energético del semiconductor, es decir, de la frecuencia de la luz emitida.

La Celda Solar

En una celda solar, la absorción de fotones genera pares electrón-hueco que son separados por el campo eléctrico interno de la unión p-n, produciendo un circuito de corriente eléctrica de la zona n a la p (efecto fotovoltaico).

Por tanto, el LED transforma energía eléctrica en luminosa, mientras que la celda solar transforma energía luminosa en eléctrica.

Sistemas de Almacenamiento y Generación de Energía

Tanto las baterías como las pilas de combustible generan electricidad mediante reacciones electroquímicas de oxidación-reducción (redox).

Baterías de Litio (Li)

Las baterías de Li están formadas por ánodo, cátodo y electrolito. Durante la descarga, el Li se oxida en el ánodo y los iones Li⁺ migran al cátodo. Durante la recarga ocurre el proceso inverso: los iones Li⁺ regresan al ánodo y el Co³⁺ se oxida de nuevo a Co⁴⁺; por tanto, la corriente eléctrica se genera en la oxidación del litio.

Pilas de Combustible

Una pila de combustible transforma la energía química del hidrógeno en energía eléctrica. En el ánodo, el H₂ se oxida formando H⁺ y electrones. Los electrones circulan por el circuito externo mientras los H⁺ atraviesan el electrolito. En el cátodo, los H⁺ reaccionan con el oxígeno y los electrones formando agua. Mientras se suministren hidrógeno y oxígeno, la pila produce electricidad de forma continua.

Ciencia de los Polímeros: Estructura y Propiedades

Clasificación según su Comportamiento Térmico

• Termoplásticos: Están formados por cadenas lineales o poco ramificadas unidas mediante fuerzas intermoleculares débiles, como las fuerzas de Van der Waals. Al aumentar la temperatura, estas fuerzas se debilitan y las cadenas pueden deslizarse unas sobre otras, por lo que el material se ablanda y puede moldearse. Al enfriar, recupera su rigidez; por ello, son materiales reciclables y pueden procesarse varias veces.
• Termoestables: Presentan una estructura tridimensional formada por cadenas unidas mediante numerosos entrecruzamientos covalentes. Estos enlaces impiden el movimiento de las cadenas, por lo que al calentarlos no se ablandan ni se funden. Si al generarse quedan monómeros sin reaccionar en el interior de la estructura, al calentarlo la estructura vibra y esos monómeros salen y reaccionan formando nuevos entrecruzamientos; por eso, en vez de fundirse, se vuelven más rígidos. Cuando se les aplica más calor, terminan degradándose o carbonizándose. Son materiales duros, rígidos, resistentes al calor e insolubles en la mayoría de los disolventes.
• Elastómeros: Están formados por cadenas poliméricas largas unidas mediante un número reducido de entrecruzamientos. Su estructura permite que las cadenas se estiren cuando se aplica una fuerza y recuperen su posición inicial al retirarla, por lo que presentan una elevada elasticidad y flexibilidad.

Procesos de Polimerización

Polimerización por Adición

La polimerización por adición se realiza a partir de monómeros que presentan dobles enlaces. El proceso tiene lugar en tres etapas:

1. Iniciación: Un radical se une al monómero y rompe el doble enlace, iniciando la cadena.
2. Propagación: Se produce el crecimiento de la cadena por la incorporación sucesiva de nuevos monómeros.
3. Finalización: Termina el crecimiento del polímero, normalmente por la unión de dos cadenas radicales.

En este tipo de polimerización no se forma ninguna molécula secundaria. Ejemplo: polietileno.

Polimerización por Condensación

En la polimerización por condensación reaccionan monómeros que poseen grupos funcionales complementarios. Al reaccionar, se forman enlaces covalentes y simultáneamente se elimina una molécula pequeña, normalmente agua (H₂O), HCl o metanol (CH₃OH). Este proceso permite obtener polímeros de elevado peso molecular. Ejemplo: Nylon 6,10, poliéster y policarbonato.

Resumen de Materiales y Ejemplos

Los termoplásticos (cadenas lineales, fuerzas débiles) son moldeables y reciclables. Los termoestables (red tridimensional, enlaces covalentes) son rígidos y resistentes al calor, endureciéndose al calentarse debido a la reacción de monómeros residuales antes de su degradación final.

Elastómeros y Polímeros Vinílicos

El caucho vulcanizado se obtiene al hacer reaccionar el caucho natural con el azufre, formándose puentes covalentes entre las cadenas. Estos entrecruzamientos permiten que las cadenas se estiren y vuelvan a su posición inicial, comportándose como un elastómero.

Por el contrario, los polímeros vinílicos, como el poliestireno, son termoplásticos formados por cadenas unidas por fuerzas débiles. Al aplicar calor o una fuerza, las cadenas pueden deslizarse y quedar en una nueva posición, presentando una elevada plasticidad.

Clasificación de Ejemplos Comunes

• Termoplásticos: Polietileno, poliestireno, SAN, PMMA, Nylon.
• Termoestables: Resinas fenólicas, baquelita, poliuretano.