La luminiscencia en la tecnología del plástico

Eduardo Arias, Ivana Moggio, Geraldina Rodríguez,

Raquel Ledezma, Gleb Turlakov, Ronald Ziolo

Grupo de Química Supramolecular y Optoelectrónica

del Departamento de Materiales Avanzados

Contraria a la idea de que todos los plásticos son aislantes, existe una clase de ellos llamados polímeros pi-conjugados, los cuales alternan en el esqueleto principal arilos con enlaces dobles, triples o sencillos, Fig 1; esta particularidad permite que los electrones se muevan en la estructura y a eso se le denomina conjugación. Estos materiales presentan, a diferencia de los plásticos convencionales -que alternan o componen su cadena principal con unidades alifáticas- como el poliestireno (PS), policloruro de vinilo (PVC), polietilentereftalato (PET), etc, propiedades eléctricas semiconductoras similares a las del silicio, incluso pueden llegar a ser tan conductores como los metales. El grado de conjugación, normalmente les imparte una coloración que es visible al simple ojo y que va desde el azul hasta el rojo. Cuando estos materiales se ponen bajo una lámpara de Ultravioleta, también pueden emitir luz de colores. La emisión de luz se denomina de forma general luminiscencia y si excitamos a los materiales mediante una luz, como un láser o una lámpara de UV se conoce como fotoluminiscencia. Esta incluye la fluorescencia que se da en tiempos de nanosegundos (= 10-9s, i.e. solo durante la irradiación) y fosforescencia cuando persiste en tiempos más largos después que se interrumpe la irradiación. La luminiscencia, sin embargo, puede originarse también por otros medios, en particular si es por efecto de un campo eléctrico, entonces se referencia como electroluminiscencia -fenómeno que está a la base del funcionamiento de los diodos electroluminiscentes (DEL). Los polímeros conjugados luminiscentes han llegado a revolucionar la tecnología del plástico en diferentes áreas; por ejemplo, en las pantallas de televisión haciéndolas más brillantes, más delgadas, etc, destaca el hecho que se están desarrollando lámparas DEL que emiten luz blanca y que están sustituyendo a la bombilla incandescente, éstas son planas, cubren una amplia área de iluminación y consumen muy poca energía. Por otro lado, y aprovechando la emisión de estas macromoléculas, los químicos le están adicionando biomoléculas diana o “target” las cuales interactúan de forma específica sobre células incluyendo bacterias, de forma a marcarlas y hacerlas luminosas a fin de identificarlas, lo cual ha generado una vasta investigación en la aplicación de estos polímeros en áreas como sensado y biosensado para la detección de contaminantes, plagas, antibióticos, insecticidas, microorganismos, etc. En medicina y farmacéutica la aplicación va dirigida hacia el diagnóstico de tumores, en el control de calidad de fármacos y en el estudio de liberación de los mismos. En elementos de seguridad su aplicación es principalmente en la identificación de billetes, de documentos e identificaciones rápida y visual contra los apócrifos, en hologramas en las placas de circulación de automóviles, etc.

Figura 1. a) Polímeros NO-conjugados aislantes como el poliestireno (PS), policloruro de vinilo (PVC),

polietilentereftalato (PET), b) algunos polímeros conjugados en solución y su emisión de luz en toda

la región del espectro electromagnético, c) litografía sobre una lámina de vidrio con el logotipo del

CIQA elaborado con nano-películas (de 10 nanómetros) de dos polímeros conjugados emisores de

luz en el azul y el naranja.

Nuestro grupo de trabajo tiene más de 25 años de hacer investigación en este tipo de macromoléculas con tres principales vertientes de aplicación: I) en diodos electroluminiscentes, II) celdas fotovoltaicas y como III) marcadores moleculares fluorescentes y de bioimagen.

Empleando como herramienta la síntesis orgánica, diseñamos, modelizamos y sintetizamos macromoléculas pi-conjugadas; familias de oligómeros de tamaño y estructura bien definida como trímeros, pentámeros, heptámeros, hasta sus correspondientes polímeros, dendrímeros, etc. así como híbridos de éstos con nanopartículas de metales nobles, ópalos, puntos cuánticos, nanotubos de carbono, fulerenos, grafenos y portadores de una amplia diversidad de grupos funcionales y de arilos como BODIPYs, perilenbisimidas, carbazol, etc., de forma que se pueda modular las propiedades de absorción y emisión de luz, y cubrir toda una gama de colores de emisión.

La estructura molecular de estos materiales también es diseñada y teóricamente se modeliza para favorecer un orden y empaquetamiento molecular y supramolecular especifico en estado sólido y en películas ultradelgadas (nano-películas), con el fin de optimizar el desempeño en los dispositivos. Por ejemplo, los diodos electroluminiscentes (DEL) construidos a base de polímeros y/o oligómeros rígidos pi-conjugados combinan la versatilidad de los plásticos en poder ser moldeados y procesados en nano-películas para recubrir grandes áreas de superficie a bajo costo con las propiedades semiconductoras de los materiales cristalinos inorgánicos empleados hasta hoy y caros de obtener: silicio, oxido de germanio, seleniuro de galio, etc., permitiendo la construcción de anuncios luminosos de gran tamaño, así como de pantallas de computadora, teléfono, relojes, etc. Sin embargo, las propiedades de emisión por electroluminiscencia, dependen fuertemente del transporte de las cargas adentro de la película del material semiconductor que es la parte activa del DEL, siendo máxima cuando la molécula está depositada a lo largo de la dirección de flujo de las cargas. De ahí que aplicando la ingeniería molecular hemos diseñado estructuras con características muy específicas para ser ensambladas ad hoc.

De particular interés para el sector social como el sector de agro-alimentos y de salud, es la aplicación de estas macromoléculas pi-conjugados funcionalizadas con biomoléculas (ejemplo con ácido málico) como marcadores fluorescentes. Gracias a su elevada capacidad de emitir mucha luz es posible utilizar cantidades tan ínfimas del material, como del orden de 1 millonésimo de gramo, para, por ejemplo, teñir la raíz de una planta de tomate, con el fin de detectar la colonización de la bacteria Bacilus subtilis, que es reclutada por el ácido málico secretado por las raíces de la planta que lo utiliza como mecanismo de defensa contra ataques de patógenos; este trabajo lo realizamos con el departamento de Biociencias y Agrotecnología del CIQA (Dr. Humberto Valenzuela). Esta tinción nos permite diagnosticar la salud del cultivo, del suelo y en particular de la rizosfera. O bien, también hemos funcionalizado oligómeros pi-conjugados con azucares, para “reconocer” la presencia de la bacteria uropatógena Escherichia coli en muestras clínicas humanas; trabajo que hemos realizado con el grupo de Biopolímeros, Fig. 2 (Dr. Antonio Ledezma). Así, la detección por fluorescencia es rápida y práctica, ya que se identifica donde hay bacterias, por el simple hecho de rociar la solución conteniendo el fluoróforo, lavándolo con agua e irradiando con una lámpara UV portátil. En fin, las aplicaciones son muchas, pero se requiere de todo un equipo multidisciplinario para lograr desde su síntesis, hasta su aplicación.

Figura 2. Marcadores fluorescentes para el diagnóstico de agro-bacterias en cultivos de tomate

(izquierda) o del sector salud (derecha).