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La Polianilina (PANI) è un polimero conduttore della famiglia dei polimeri ad asta semi-flessibile. Anche se il composto stesso è stato scoperto più di 150 anni fa, solo a partire dai primi anni '80 la polianilina ha catturato l'intensa attenzione della comunità scientifica, grazie alla riscoperta della sua elevata conducibilità elettrica. Inserita quindi nella famiglia dei polimeri organici conduttori e semiconduttori, la polianilina ha molte caratteristiche di lavorazione interessanti ed è uno dei polimeri più studiati.[1]
Come descritto da Alan MacDiarmid,[2] la prima relazione definitiva sulla polianilina non apparve fino al 1862, e comprendeva un metodo elettrochimico per la determinazione di piccole quantità di anilina.[3]
Dagli inizi del XX secolo, sulla struttura del PANI sono stati pubblicati vari rapporti occasionali, e n seguito alla sua indagine di altri materiali organici altamente conduttivi, MacDiarmid ha dimostrato gli stati di conduzione di polianilina che provengono dal doping protonico della forma smeraldo della polianilina.[4] Polimeri conduttori come la polianilina rimangono di interesse notevole,[5] fornendo la possibilità di affrontare i problemi fondamentali importanti per la fisica della materia condensata, tra cui, ad esempio, la transizione metallo-isolante,[6] la Peierls Instability e la decoerenza quantica.[7]
Polimerizzato dal monomero economico anilina, la polianilina può trovarsi in uno dei tre stati di ossidazione idealizzati:[8]
Nella figura in alto, x è uguale a metà del grado di polimerizzazione (DP). La leucosmeraldina con n = 1, m = 0 è allo stato completamente ridotto. La pernigranilina è allo stato completamente ossidato (n = 0, m = 1) con collegamenti imminici invece di legami amminici. Vari studi hanno dimostrato che la maggior parte delle forme di polianilina sono uno dei tre stati o miscele fisiche di questi componenti. Lo smeraldino (n = m = 0,5), spesso indicato come base smeraldino (EB, Emeraldine Base), è neutra, se drogata (protonata in genere) è chiamata sale smeraldino (ES), con gli atomi di azoto imminici protonati da un acido. La protonazione aiuta a delocalizzare lo stato diiminochinone-diaminobenzene altrimenti intrappolato. La EB è considerata la forma più utile di polianilina grazie alla sua elevata stabilità a temperatura ambiente e al fatto che, dopo il drogaggio con un acido, la forma di sale risultante ES della polianilina è altamente conduttrice di elettricità. La leucosmeraldina e la pernigraniline sono cattivi conduttori, anche quando drogati con un acido protico.
Il cambiamento di colore associato con la polianilina nei diversi stati di ossidazione può essere utilizzato in sensori e dispositivi elettrocromici.[9] Anche se il colore è utile, il metodo migliore per fare un sensore dalla polianilina è probabilmente quello di sfruttare i cambiamenti drastici nella conduttività elettrica tra i diversi stati di ossidazione o livelli derivanti dal doping.[10] Il trattamento della forma smeraldina con acidi aumenta la conduttività elettrica di dieci ordini di grandezza, mentre la polianilina non dopata ha una conducibilità di 6,28 × 10-9 S / m, mentre una conducibilità di 4,60 × 10-5 S / m può essere realizzata mediante drogaggio al 4% con HBr .[11] Lo stesso materiale può essere preparato per ossidazione della forma leucosmeraldina.
La polianilina è più nobile del rame e un po' meno nobile dell'argento e ciò è alla base del suo ampio utilizzo nella produzione di circuiti stampati (come finitura finale) e nella protezione contro la corrosione.[12]
Sebbene i metodi di sintesi per produrre la polianilina siano piuttosto semplici, il meccanismo di polimerizzazione è probabilmente complesso. La formazione della forma leucosmeraldina può essere descritta come segue, dove con [O] si indica un ossidante generico:[4]
L'ossidante più comune è il persolfato di ammonio. I componenti sono ciascuno sciolti in acido cloridrico 1M (anche se possono essere usati altri acidi), e le due soluzioni (ossidante e monomero) vengono lentamente unite. La reazione è molto esotermica, ed il polimero precipita come una dispersione stabile con il particolato in scala micrometrica.
La (per) nigranilina è preparata per ossidazione della EB, utilizzando come ossidante l'acido meta-cloroperossibenzoico:[13]
La sintesi di nanostrutture a base di polianilina è comoda e senza problemi.[14]
Utilizzando procedure di polimerizzazione speciali e droganti tensioattivi, la polvere di polianilina così ottenuta può essere resa disperdibile e quindi utile per applicazioni pratiche. la sintesi di massa di nanofibre polianilina ha portato ad una forma altamente scalabile e applicabile in commercio di polianilina che è stata studiata estensivamente dalla loro scoperta nel 2002.[15]
La polianilina è tipicamente prodotta sotto forma di aggregati polimerici a catena lunga, in dispersioni di nanoparticelle stabilizzate da tensioattivi, o in dispersioni di nanofibre privo di stabilizzatore a seconda del fornitore e della via sintetica. Dispersioni di polianilina stabilizzate sono disponibili per la vendita commerciale dalla fine degli anni '90.[12]
La polianilina e gli altri polimeri conduttori come il politiofene, il polipirrolo e il PEDOT/PSS hanno un grande potenziale di applicazioni grazie alla loro leggerezza, conduttività, flessibilità meccanica e basso costo. la polianilina è particolarmente interessante perché è relativamente poco costosa, presenta tre distinti stati di ossidazione con differenti colori e ha una risposta al doping acido/base. Quest'ultima proprietà rende la polianilina molto attraente per i sensori ai vapori di acido/base, i supercondensatori e i biosensori. I colori differenti, le cariche e le conformazioni dei molteplici stati di ossidazione rendono il materiale promettente anche per applicazioni quali attuatori, supercondensatori e sostanze elettrocromiche. Essi sono adatti per la produzione di filati elettricamente conduttivi, rivestimenti antistatici, schermature elettromagnetica ed elettrodi flessibili.[16]
Attualmente, le principali applicazioni sono la produzione di circuiti stampati (finiture finali, utilizzato in milioni di m² ogni anno), rivestimenti anti statici ed ESD, e protezione contro la corrosione.
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