Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidade da Coruña (UDC) ha conseguido medir directamente y en un único experimento la cristalización de polímeros semiconductores en escalas inferiores al segundo, un proceso que hasta ahora resultaba difícil de analizar con las técnicas convencionales.

El trabajo, publicado en el Journal of the American Chemical Society (JACS) con el título Understanding the Ultrafast Crystallization Kinetics of Donor–Acceptor Semiconducting Polymers, forma parte de la tesis doctoral que Josep Tent desarrolla en el Laboratorio de Polímeros Funcionales del Centro de Investigación en Tecnologías Navales e Industriales (CITENI), bajo la supervisión del investigador Oportunius Jaime Martín.

Una cristalización que puede completarse en 0,025 segundos

La investigación desarrolla una metodología basada en la calorimetría de barrido rápido (Fast Scanning Calorimetry, FSC) que permite registrar cómo estos materiales pasan del estado fundido al cristalino mientras el proceso está ocurriendo.

Hasta ahora era necesario realizar varios experimentos y analizar el material en distintos momentos para reconstruir su evolución. El nuevo método permite obtener esa información directamente en una única medición.

La velocidad del proceso es uno de los principales retos. En los experimentos realizados, la cristalización completa dura menos de una décima de segundo. En el caso del polímero PTQ10, puede producirse en apenas 0,025 segundos.

«Hasta ahora sabíamos que estos materiales podían cristalizar muy rápido, pero no podíamos estudiar directamente y con suficiente detalle lo que ocurría durante ese proceso», explica Josep Tent. La nueva metodología, añade, permite seguir la evolución de la cristalización mientras se está produciendo.

La temperatura modifica la organización del material

El equipo estudió los polímeros semiconductores PTQ10 y D18 y comprobó que la temperatura determina la forma en la que se organizan sus moléculas.

En el PTQ10 se observa un cambio alrededor de los 341 ºC, mientras que en el D18 se produce en torno a los 320 ºC. Para analizar estas transformaciones, los investigadores combinaron calorimetría, difracción de rayos X y microscopía electrónica.

Los resultados muestran que la rápida cristalización no se produce mediante la formación inicial de unos pocos cristales que posteriormente van creciendo. En estos materiales aparecen numerosos dominios ordenados prácticamente al mismo tiempo, lo que permite que el polímero adopte su estructura en una fracción de segundo.

En el D18, las imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica permitieron observar dominios con un tamaño medio de aproximadamente 40 nanómetros.

Aplicaciones en células solares y electrónica flexible

Los polímeros estudiados tienen aplicaciones potenciales en campos como las células solares orgánicas, la electrónica flexible y otros dispositivos electrónicos. Sus propiedades finales no dependen únicamente de su composición química, sino también de cómo se organizan las moléculas durante el proceso de fabricación.

Conocer con precisión la cristalización permite relacionar parámetros como la temperatura o la velocidad de enfriamiento con la estructura que finalmente adquiere el material.

«La forma en que se organiza el material durante la cristalización influye directamente en sus propiedades finales», señala Jaime Martín. «Poder medir este proceso mientras ocurre nos ayuda a comprender cómo se estructura el polímero y cómo podemos influir en esa organización durante su procesamiento».

La investigación proporciona así una herramienta para estudiar y optimizar materiales semiconductores destinados a dispositivos fotovoltaicos y electrónica orgánica, aunque el trabajo se sitúa todavía en el ámbito de la investigación básica.

En el estudio participaron investigadores de la Universidade da Coruña; la Université Grenoble Alpes, el CEA, el CNRS y Grenoble INP, en Francia; y el Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2). Los experimentos de difracción de rayos X se realizaron con la colaboración del sincrotrón ALBA.