Conductividad eléctrica mejorada en mezclas de PEDOT:PSS mediante control de morfología y cristalización mediados por líquidos iónicos

Resumen: Presentamos un método novedoso para aumentar de forma significativa la conductividad eléctrica de mezclas de PEDOT:PSS mediante la incorporación de líquidos iónicos específicamente diseñados. La técnica induce una separación de fases controlada y promueve el orden cristalino del PEDOT, generando vías conductoras continuas que permiten mejoras de rendimiento relevantes para electrónica flexible y almacenamiento de energía.

Contexto y reto: PEDOT:PSS es un polímero conductor muy valorado por su transparencia, flexibilidad y facilidad de procesamiento, pero su conductividad intrínseca limitada restringe su uso en dispositivos de alto rendimiento. Los tratamientos tradicionales mejoran la conductividad a costa de estabilidad o durabilidad. Nuestra aproximación se basa en el control de la morfología y la cristalización mediante líquidos iónicos para superar ese cuello de botella sin comprometer la integridad del film.

Marco teórico: La clave reside en las interacciones selectivas entre los líquidos iónicos y las fracciones PEDOT y PSS. Líquidos iónicos anfifílicos y funcionalizados favorecen la agregación de cadenas de PEDOT y desestabilizan dominios de PSS, promoviendo una separación de fases que resulta en dominios cristalinos interconectados de PEDOT. Desde una perspectiva termodinámica esto se describe con el parámetro de interacción de Flory-Huggins chi y la energía libre de interacción, lo que permite un diseño racional de ILs que minimicen la afinidad con PSS y maximicen la compatibilidad con PEDOT.

Materiales y métodos: Se sintetizaron líquidos iónicos personalizados con longitudes de cadena alquilo C4-C8 y núcleos funcionales como imidazolio y piridinio. Tras caracterizarlos por NMR y espectrometría de masas se incorporaron a dispersiones acuosas de PEDOT:PSS en concentraciones de 0.5 a 5 wt% y se depositaron por spin-coating en sustratos de vidrio, con espesores controlados alrededor de 100 nm. Se optimizaron ciclos de recocido entre 80 y 150 C para favorecer la reorganización molecular y la cristalización.

Caracterización: La conductividad eléctrica se midió mediante sonda de cuatro puntas en múltiples posiciones. La morfología superficial se evaluó por AFM, la cristalinidad por difracción de rayos X y la distribución química por XPS. TEM aportó imágenes de alta resolución mostrando la formación de dominios cristalinos interconectados que facilitan el transporte de carga.

Resultados principales: La incorporación de ILs condujo a una reducción marcada del tamaño de los dominios de PSS y a una mayor conectividad entre granos de PEDOT. XRD mostró picos más agudos e intensos, indicativos de mayor orden cristalino. Las mezclas optimizadas alcanzaron conductividades de hasta 85 S/cm, lo que supone aproximadamente un incremento del 900% respecto a PEDOT:PSS sin tratar. Se observó una relación creciente entre conductividad y concentración de IL hasta un óptimo cerca de 3 wt%, por encima del cual la agregación dificulta la formación de vías continuas.

Aplicaciones y escalabilidad: Estas mejoras habilitan aplicaciones en sensores vestibles, pantallas flexibles OLED, electrodos para supercondensadores y componentes para almacenamiento de energía. A corto plazo (1-2 años) proponemos escalar la síntesis de ILs mediante reactores de flujo continuo y adaptar procesos de deposición para áreas grandes. A medio plazo (3-5 años) es viable la integración en dispositivos OLED y supercapacitores y la validación en producción piloto. A largo plazo (5-10 años) la tecnología puede extenderse a otros polímeros conductores y materiales híbridos con producción comercial.

Impacto y viabilidad comercial: El método ofrece una ruta reproducible y racional para diseñar líquidos iónicos que optimicen la morfología polimérica, favoreciendo la adopción industrial. La posibilidad de combinar estos avances materiales con soluciones digitales y de datos abre sinergias fuertes con servicios tecnológicos avanzados.

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Conclusión: El control de morfología y cristalización de PEDOT:PSS mediado por líquidos iónicos es una estrategia eficaz para superar limitaciones de conductividad y abrir nuevas aplicaciones en electrónica flexible y almacenamiento de energía. Q2BSTUDIO ofrece la capacidad de combinar estos avances experimentales con soluciones digitales, desarrollo de aplicaciones a medida, servicios cloud y seguridad para llevar la investigación desde el laboratorio hasta aplicaciones comerciales escalables.