Investigadores de la Universidad Christian-Albrechts de Kiel (CAU) han encontrado ahora una forma de prescindir de este paso adicional de polarización. Enrevista Science, el Dr. Stefan Schröder, que dirige un subgrupo independiente en la cátedra del profesor Franz Faupel, muestra cómo su equipo puede polarizar determinados polímeros ya durante su fabricación mediante el proceso de deposición química en fase gaseosa iniciada (iCVD). Este efecto era desconocido hasta ahora.

El potencial superficial se genera durante el recubrimiento

El descubrimiento se produjo en el marco de unos trabajos sobre capas finas de electret. Los electretes son materiales que generan un campo eléctrico de forma permanente, de manera similar a como un imán de nevera es magnético de forma permanente. El equipo trabajó con diversas moléculas adecuadas como materias primas para recubrimientos poliméricos. 

«En realidad, al principio solo queríamos comprender qué propiedades de polarización eléctrica aportan a las superficies las moléculas que utilizamos», afirma Schröder. Cuando él y sus colegas fabricaron películas poliméricas a partir de ellas y analizaron su potencial superficial, se encontraron con un hallazgo inesperado: las capas generaban un potencial superficial de hasta 24 voltios, a pesar de que nadie había aplicado previamente un campo eléctrico externo. Al parecer, las películas poliméricas se habían polarizado por sí solas ya durante su fabricación.

«La polarización se produce ya durante el recubrimiento», explica Schröder. En este sentido, resulta decisiva, por un lado, la estructura de las moléculas utilizadas: su carga eléctrica suele estar distribuida de forma desigual, por lo que adquieren una determinada orientación eléctrica. 

La polimerización estabiliza el estado

Igualmente importante es el proceso de fabricación: mediante la técnica iCVD, los investigadores unen estas moléculas gaseosas para formar una fina capa de macromoléculas o polímeros. En este proceso especialmente suave, la polarización se produce de forma espontánea. Sin embargo, cuando las mismas materias primas se transformaron en polímeros por otros medios, sin recurrir a la deposición en fase gaseosa, el equipo no pudo observar ningún potencial eléctrico.

Los investigadores pueden influir de forma selectiva en la intensidad del potencial superficial resultante. Actualmente son capaces de fabricar capas con un potencial de hasta 100 voltios. Estos altos potenciales superficiales se producen en recubrimientos extremadamente finos: Las capas estudiadas por los investigadores tienen un espesor de tan solo entre diez nanómetros y un micrómetro, por lo que son invisibles a simple vista. El potencial superficial aumenta con el espesor de la capa de polímero. Además, Schröder y sus colegas pudieron modificar de forma selectiva la dirección de la polarización mediante la elección de las materias primas utilizadas.

Otra ventaja del procedimiento es que la polimerización estabiliza el estado: una vez alineadas, las moléculas no pueden volver a moverse libremente y quedan fijas. De este modo, el potencial eléctrico se mantiene en condiciones ambientales. A temperaturas más elevadas, por ejemplo, a 90 grados Celsius, el recubrimiento vuelve a perder su polarización.

Nuevas funciones para recubrimientos poliméricos finos

El nuevo método abre un amplio abanico de posibilidades para futuras aplicaciones. Las películas poliméricas autopolarizantes podrían utilizarse, por ejemplo, en electrónica, tecnología de sensores, ingeniería energética o en interfaces biológicas. 

Una ventaja especial de este procedimiento es que permite recubrir de manera uniforme incluso superficies con formas complejas. De este modo, en el futuro se podrían generar campos eléctricos de forma selectiva sobre superficies tridimensionales. El equipo cree que, a largo plazo, estos recubrimientos podrían contribuir a reducir el consumo energético de los componentes electrónicos.

«Para su aplicación industrial, resulta muy interesante que las películas poliméricas no tengan que polarizarse externamente y que se puedan ajustar con precisión los potenciales superficiales», afirma el Dr. Torge Hartig, científico especializado en ciencia de los materiales, que también es autor del estudio y fundó la empresa Conformally junto con Schröder y otros colegas de la CAU. «Además, las películas poliméricas polarizadas existentes hasta ahora suelen contener PFAS. Gracias a este nuevo efecto, ahora es posible fabricar películas poliméricas polarizadas más sostenibles y libres de PFAS».

Con Conformally, Hartig y su equipo llevan la tecnología iCVD de la investigación a la aplicación industrial. Este proceso permite recubrir incluso superficies de formas complejas con una capa especialmente fina y uniforme. Las películas poliméricas autopolarizantes tendrían demanda en todos aquellos ámbitos en los que se necesiten campos eléctricos directamente sobre las superficies: por ejemplo, en sensores, detectores o componentes microelectrónicos, como los que se encuentran, por ejemplo, en los teléfonos móviles. El equipo de autores también considera factibles aplicaciones en células solares.