(Phys.org) —Een geavanceerde nanostructuur maakt een flinterdun papier gemaakt van elektrisch geleidende vanadiumpentoxidevezels zowel taai als buigzaam.

Wetenschappers in Stuttgart doen momenteel dingen aan een keramiek, wat normaal gesproken resulteert in een stapel scherven. Zij waren de eersten die een papierachtig materiaal produceerden van een keramiek van vanadiumpentoxide dat zo hard is als koper, maar toch flexibel genoeg om op te rollen of op te vouwen. Het materiaal is ook anders dan andere keramiek, omdat het elektrisch geleidend is. In een project gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG), de wetenschappers van de universiteit van Stuttgart, het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen en het Max Planck Instituut voor Solid State Research produceerden het keramisch papier bestaande uit geleidende nanovezels van vanadiumpentoxide op een ongecompliceerde en eenvoudige manier. De bijzondere mechanische eigenschappen van het keramisch papier zijn afgeleid van de structuur, die lijkt op die van parelmoer. Het materiaal ziet er veelbelovend uit voor toepassingen in batterijen, platte en flexibele gassensoren en actuatoren in kunstmatige spieren.

Wat materiaalwetenschappers pas de afgelopen decennia hebben geleerd, Moeder Natuur beoefent al miljoenen jaren:materialen met vrij bescheiden mechanische eigenschappen transformeren in nieuwe, buitengewoon moeilijk, taaie en elastische, door ze een uitgekiende nanostructuur te geven. In de schelpen van weekdieren, bijvoorbeeld, harde maar broze aragoniet-bloedplaatjes worden als bakstenen in lagen gestapeld en samengevoegd met behulp van een eiwit-"mortel", waardoor de harde, maar toch elastisch en stevig parelmoer.

Deze natuurlijke composiet diende als model voor het onderzoek dat werd uitgevoerd door wetenschappers die samenwerkten met Žaklina Burghard en Joachim Bill van het Institute of Material Science aan de universiteit van Stuttgart, die is opgezet aan het Max Planck Institute for Intelligent Systems op de Max Planck-campus in Stuttgart. Samen met hun collega's van het Max Planck Institute for Intelligent Systems en het Max Planck Institute for Solid State Research, ze gebruikten het harde maar brosse keramische vanadiumpentoxide om een ​​elastisch en elektrisch geleidend papier te produceren.

De vezels assembleren zichzelf tot een transparant oranje papier

Eerst, de wetenschappers synthetiseerden nanovezels van vanadiumpentoxide met behulp van in water oplosbaar vanadiumzout volgens de procedure die al meer dan 20 jaar bekend is. Het nogal ongebruikelijke kenmerk van deze keramiek is dat de vezels elektriciteit geleiden. Dit is mogelijk omdat de metaaloxideketens zwak gebonden elektronen bevatten die erlangs kunnen huppelen.

De geleidende vezels samengevoegd tot een elastisch en sterk papier - zodra de in Stuttgart gevestigde wetenschappers de noodzakelijke voorwaarden hadden gecreëerd. Ze verdeelden de in water gesuspendeerde nanovezels heel dun op een substraat, en laat daarna de waterige film enkele uren drogen bij kamertemperatuur, en dan nog een paar uur bij 40°C, het langzaam verminderen van de luchtvochtigheid in de klimaatkamer. Door dit langzame proces konden de vezels zichzelf assembleren tot precies parallelle patronen. Eindelijk, ze gloeiden de film bij 100 en 150°C, waardoor een transparante, oranje papier waarvan de dikte kan worden aangepast door de hoeveelheid gebruikte nanovezeloplossing te wijzigen (tussen 0,5 en 2,5 micrometer).

Het keramiekpapier is elastischer en sterker dan parelmoer

"Het papier kan worden gevouwen als een accordeon of opgerold, " zegt Žaklina Burghard. In feite, in dit opzicht, het keramische papier is waarschijnlijk zelfs superieur aan zijn natuurlijke model. "Hoewel parelmoer bestaat in kleine, spiraalvormige zeeschelpen in de natuur, dit stijve biomineraal kan niet worden gevouwen als een normaal vel papier." Het keramische papier is niet alleen elastischer dan parelmoer, het is ook moeilijker. Wat is meer, het geleidt elektriciteit. "Echter, de geleidbaarheid langs de papiervezels is veel groter dan eroverheen, ' zegt Žaklina Burghard.

De reden voor de variërende geleidbaarheid van het papier, afhankelijk van de richting waarin de wetenschappers het meten, verklaart ook de opmerkelijke mechanische eigenschappen. Ze zijn allebei het resultaat van de structuur van het materiaal, die wordt gevormd in een zelfassemblageproces onder de omstandigheden gecreëerd door de wetenschappers in Stuttgart.

Een dwarsdoorsnede toont een structuur die veel lijkt op een bakstenen muur

De structuur begint met de assemblage van de nanovezels, die vóór het project in Stuttgart bekend was. De vezels bestaan ​​uit twee vanadiumpentoxidelagen met daartussen een laagje water. Verschillende vezels worden zijdelings op elkaar gestapeld, platen vormen. De platen stapelen ook zijdelings, maar gewankeld, boven op elkaar, zodat de structuur van het gelaagde materiaal in een dwarsdoorsnede waarschijnlijk op een bakstenen muur zal lijken, waar de vanadiumpentoxideplaten de stenen vormen die zijn ingebed in een waterlaag die hen omringt als mortel.

Het is deze combinatie van hard keramiek en zacht water in de speciale nanostructuur die het papier hard, sterk en buigzaam. Het resulteert ook in een hoge geleidbaarheid in het papiervlak en een lage out-of-plane geleidbaarheid. Echter, de elektriciteit wordt niet alleen getransporteerd door de elektronen die langs de nanovezels bewegen, maar ook door ionen in de waterlagen tussen het keramiek.

Zowel de elektrische eigenschappen als de mechanische eigenschappen van het papier variëren dus afhankelijk van het watergehalte. Door het materiaal te drogen en te gloeien, de wetenschappers verwijderen voornamelijk zwak gebonden water om de keramische vezels een dichtere structuur te geven. Omdat dit ook de bindingen tussen de nanovezels versterkt, het maakt het papier harder en stijver.

Mogelijke toepassingen:batterijen, gassensoren en kunstmatige spieren

"Dankzij de uitstekende mechanische prestaties, gecombineerd met de elektrische en chemische eigenschappen, het keramiekpapier is geschikt voor tal van verschillende toepassingen, " zegt Burghard. Bijvoorbeeld, ionen kunnen worden opgenomen tussen de vanadiumpentoxidevezels en platen, waardoor het papier geschikt zou zijn als elektrodemateriaal voor batterijen. "Omdat het papier is gestructureerd in regelmatige en homogeen gevormde lagen, ionen kunnen efficiënt in een bepaalde richting in het vlak bewegen, " legt Žaklina Burghard uit. Batterijen met keramische papierelektroden konden daarom snel worden opgeladen, maar ook snel ontladen om hoge stroomdichtheden mogelijk te maken. De industrie toont al grote interesse in het gebruik van papier in oplaadbare batterijen.

Verder, zijn capaciteit om ionen op te nemen maakt het keramische papier aantrekkelijk voor andere gebieden. Omdat elektronen dankzij moleculaire interactie mobieler kunnen worden gemaakt in vanadiumoxide, het is ook geschikt voor gassensoren. Dankzij de kleine vanadiumoxidekern, die is teruggebracht tot slechts enkele micrometers, instrumenten kunnen kleiner worden gemaakt. In aanvulling, het keramische papier zou kunstspieren tot leven kunnen brengen. Wanneer vreemde ionen zich ophopen in de composiet, het breidt zich uit. Als een actuator die wordt bestuurd door het aantal geïntercaleerde deeltjes, het keramische papier kan voorwerpen tot microscopisch klein formaat duwen of trekken.

"In het keramisch papier, we combineren het beste van twee werelden, " Žaklina Burghard zegt:"de veelzijdige chemische eigenschappen van vanadiumpentoxide en de mechanische eigenschappen van parelmoer, een materiaal dat in de loop van miljoenen jaren is geoptimaliseerd." haar team is niet van plan om daar te stoppen:de wetenschappers willen het keramisch papier combineren met andere materialen om het nog veelzijdiger en betere eigenschappen te geven.