(Phys.org) —En sofistikerad nanostruktur gör ett oblattunt papper tillverkat av elektriskt ledande vanadinpentoxidfibrer både segt och böjligt.

Forskare i Stuttgart gör för närvarande saker med en keramik, vilket normalt skulle resultera i en hög med skärvor. De var de första att tillverka ett pappersliknande material från en vanadinpentoxidkeramik som är lika hård som koppar, men ändå tillräckligt flexibel för att kunna rullas ihop eller vikas. Materialet skiljer sig också från annan keramik, eftersom den är elektriskt ledande. I ett projekt finansierat av den tyska forskningsstiftelsen (DFG), forskarna från Stuttgart University, Max Planck Institute for Intelligent Systems och Max Planck Institute for Solid State Research producerade det keramiska papperet bestående av ledande nanofibrer av vanadinpentoxid på ett okomplicerat och enkelt sätt. Det keramiska papperets speciella mekaniska egenskaper härleds från dess struktur, som liknar pärlemors. Materialet ser lovande ut för applikationer i batterier, platta och flexibla gassensorer och ställdon i konstgjorda muskler.

Vad materialforskare bara har lärt sig under de senaste decennierna, Moder Natur har praktiserat i miljontals år:att förvandla material med ganska blygsamma mekaniska egenskaper till nya, utomordentligt svårt, tuffa och elastiska, genom att ge dem en sofistikerad nanostruktur. I blötdjurens skal, till exempel, hårda men spröda aragonitplättar staplas i lager som tegelstenar och sammanfogas med hjälp av en protein "mortel", vilket skapar det hårda, men ändå elastisk och robust pärlemor.

Denna naturliga komposit fungerade som modell för forskningen som utfördes av forskare som arbetade med Žaklina Burghard och Joachim Bill från Institute of Material Science vid Stuttgart University, som är inrättat vid Max Planck Institute for Intelligent Systems på Stuttgart Max Planck campus. Tillsammans med sina kollegor från Max Planck Institute for Intelligent Systems och Max Planck Institute for Solid State Research, de använde den hårda men spröda keramiska vanadinpentoxiden för att producera ett elastiskt och elektriskt ledande papper.

Fibrerna sätts ihop till ett transparent orange papper

Först, forskarna syntetiserade nanofibrer av vanadinpentoxid med vattenlösligt vanadinsalt enligt den procedur som har känts till i över 20 år. Den ganska ovanliga egenskapen hos denna keramik är att fibrerna leder elektricitet. Detta är möjligt eftersom metalloxidkedjorna innehåller svagt bundna elektroner som kan hoppa längs dem.

De ledande fibrerna samlades till ett elastiskt och starkt papper - när de Stuttgart-baserade forskarna hade skapat de nödvändiga förutsättningarna. De fördelade nanofibrerna suspenderade i vatten mycket tunt på ett substrat, och låt därefter den vattenhaltiga filmen torka i flera timmar vid rumstemperatur, och sedan några timmar till vid 40°C, långsamt minska luftfuktigheten i klimatkammaren. Denna långsamma process gjorde det möjligt för fibrerna att montera sig själva till exakt parallella mönster. Till sist, de glödgade filmen vid 100 och 150°C, vilket ger en transparent, orange papper vars tjocklek kan ändras genom att ändra mängden nanofiberlösning som används (mellan 0,5 och 2,5 mikrometer).

Kerampappret är mer elastiskt och starkare än pärlemor

"Papper kan vikas som ett dragspel eller rullas ihop, " säger Žaklina Burghard. Faktum är att i denna aspekt, det keramiska pappret är förmodligen till och med överlägset sin naturliga modell. "Även om pärlemor finns i små, spiralformade snäckskal i naturen, denna stela biomineral kan inte vikas som ett vanligt pappersark." Kerampappret är inte bara mer elastiskt än pärlemor, det är också svårare. Vad är mer, den leder elektricitet. "Dock, ledningsförmågan längs pappersfibrerna är mycket större än över dem, " säger Žaklina Burghard.

Orsaken till papperets varierande ledningsförmåga beroende på i vilken riktning forskarna mäter det, förklarar också dess anmärkningsvärda mekaniska egenskaper. De är båda ett resultat av materialets struktur, som bildas i en självmonteringsprocess under de förhållanden som skapats av forskarna i Stuttgart.

Ett tvärsnitt visar en struktur ungefär som en tegelvägg

Strukturen börjar med monteringen av nanofibrerna, som var känt före Stuttgart-projektet. Fibrerna består av två vanadinpentoxidlager med ett lager vatten emellan. Flera fibrer staplas ovanpå varandra i sidled, bildar plattor. Plattorna staplas också i sidled, men vacklande, ovanpå varandra, så att strukturen av det skiktade materialet sannolikt kommer att likna en tegelvägg i ett tvärsnitt, där vanadinpentoxidplattorna utgör tegelstenarna inbäddade i ett vattenskikt som omger dem som murbruk.

Det är denna kombination av hård keramik och mjukt vatten i den speciella nanostrukturen som gör papperet hårt, stark och smidig. Det resulterar också i hög konduktivitet i pappersplanet och låg ledningsförmåga utanför planet. Dock, elektriciteten transporteras inte bara av elektronerna som rör sig längs nanofibrerna, men också av joner i vattenlagren mellan keramiken.

Både de elektriska egenskaperna och de mekaniska egenskaperna hos papperet varierar därför beroende på vattenhalten. Genom att torka och glödga materialet, forskarna tar huvudsakligen bort svagt bundet vatten för att få de keramiska fibrerna att bilda en tätare struktur. Eftersom detta också förstärker bindningarna mellan nanofibrerna, det gör papperet hårdare och styvare.

Potentiella applikationer:batterier, gassensorer och konstgjorda muskler

"Tack vare dess utmärkta mekaniska prestanda, kombinerat med de elektriska och kemiska egenskaperna, det keramiska papperet är lämpligt för många olika applikationer, " säger Burghard. Till exempel, joner kan införlivas mellan vanadinpentoxidfibrerna och plattorna, vilket skulle göra papperet lämpligt som elektrodmaterial för batterier. "Eftersom papperet är uppbyggt i vanliga och homogent formade lager, joner kan röra sig effektivt i en viss riktning i planet, " förklarar Žaklina Burghard. Batterier med keramiska papperselektroder kan därför laddas snabbt, men urladdas också snabbt för att möjliggöra höga strömtätheter. Industrin visar redan ett stort intresse för att använda papperet i uppladdningsbara batterier.

Vidare, dess kapacitet att ta emot joner gör det keramiska papperet attraktivt för andra områden. Eftersom elektroner kan göras mer rörliga i vanadinoxid tack vare molekylär interaktion, den är också lämplig för gassensorer. På grund av den lilla vanadinoxidkärnan, som har reducerats till bara några mikrometer, instrument kan göras mindre. Dessutom, det keramiska pappret kunde ge liv åt konstgjorda muskler. När främmande joner ansamlas i kompositen, den expanderar. Som ett ställdon som styrs av antalet interkalerade partiklar, det keramiska papperet kan trycka eller dra föremål ner till mikroskopisk storlek.

"I det keramiska papperet, vi kombinerar det bästa av två världar, " Žaklina Burghard säger:"vanadinpentoxids mångsidiga kemiska egenskaper och pärlemors mekaniska egenskaper, ett material som har optimerats under miljontals år." hennes team har inte för avsikt att sluta där:forskarna vill kombinera det keramiska papperet med ytterligare material för att ge det ännu mer mångsidiga och bättre egenskaper.