En foldekeramik

(Phys.org) — En sofistikeret nanostruktur gør et wafertyndt papir lavet af elektrisk ledende vanadiumpentoxidfibre både sejt og bøjeligt.

Forskere i Stuttgart gør i øjeblikket ting til en keramik, hvilket normalt ville resultere i en bunke skår. De var de første til at fremstille et papirlignende materiale af en vanadiumpentoxidkeramik, der er lige så hård som kobber, men alligevel fleksibel nok til at blive rullet sammen eller foldet. Materialet er også forskelligt fra anden keramik, da den er elektrisk ledende. I et projekt finansieret af den tyske forskningsfond (DFG), forskerne fra Stuttgart Universitet, Max Planck Institute for Intelligent Systems og Max Planck Institute for Solid State Research producerede det keramiske papir bestående af ledende nanofibre af vanadiumpentoxid på en ligetil og enkel måde. Det keramiske papirs særlige mekaniske egenskaber er afledt af dets struktur, som minder om perlemors. Materialet ser lovende ud til anvendelse i batterier, flade og fleksible gassensorer og aktuatorer i kunstige muskler.

Hvad materialeforskere først har lært i de sidste par årtier, Moder Natur har praktiseret i millioner af år:at transformere materialer med ret beskedne mekaniske egenskaber til nye, ekstraordinært hårdt, hårde og elastiske, ved at give dem en sofistikeret nanostruktur. I bløddyrs skaller, for eksempel, hårde, men sprøde aragonitplader stables i lag som mursten og sammenføjes ved hjælp af en protein-"mørtel", dermed skabe det hårde, alligevel elastisk og robust perlemor.

Denne naturlige komposit tjente som model for forskningen udført af forskere, der arbejder med Žaklina Burghard og Joachim Bill fra Institute of Material Science ved Stuttgart University, som er oprettet på Max Planck Institute for Intelligent Systems på Stuttgart Max Planck campus. Sammen med deres kolleger fra Max Planck Institute for Intelligent Systems og Max Planck Institute for Solid State Research, de brugte det hårde, men skøre keramiske vanadiumpentoxid til at fremstille et elastisk og elektrisk ledende papir.

Fibrene samler sig selv til et gennemsigtigt orange papir

Først, forskerne syntetiserede nanofibre af vanadiumpentoxid ved hjælp af vandopløseligt vanadiumsalt efter den procedure, der har været kendt i over 20 år. Det ret usædvanlige træk ved denne keramik er, at fibrene leder elektricitet. Dette er muligt, fordi metaloxidkæderne indeholder svagt bundne elektroner, som kan hoppe langs dem.

De ledende fibre samlede sig til et elastisk og stærkt papir - da de Stuttgart-baserede videnskabsmænd havde skabt de nødvendige betingelser. De fordelte nanofibrene suspenderet i vand meget tyndt på et substrat, og lad derefter den vandige film tørre i flere timer ved stuetemperatur, og derefter et par timer mere ved 40°C, langsomt at reducere fugtigheden i klimakammeret. Denne langsomme proces gjorde det muligt for fibrene at samle sig selv i præcist parallelle mønstre. Endelig, de udglødede filmen ved 100 og 150°C, derved frembringe en gennemsigtig, orange papir, hvis tykkelse kan ændres ved at ændre mængden af ​​anvendt nanofiberopløsning (mellem 0,5 og 2,5 mikrometer).

Det keramiske papir er mere elastisk og stærkere end perlemor

"Papiret kan foldes som en harmonika eller rulles sammen, " siger Žaklina Burghard. Faktisk, i dette aspekt, det keramiske papir er sandsynligvis endda overlegent i forhold til sin naturlige model. "Selvom perlemor findes i små, spiralformede havskaller i naturen, dette stive biomineral kan ikke foldes som et normalt ark papir." Det keramiske papir er ikke kun mere elastisk end perlemor, det er også sværere. Hvad er mere, den leder elektricitet. "Imidlertid, ledningsevnen langs papirfibrene er meget større end på tværs af dem, " siger Žaklina Burghard.

Årsagen til papirets varierende ledningsevne afhængigt af den retning, som forskerne måler det i, forklarer også dens bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber. De er begge et resultat af materialets struktur, som er dannet i en selvsamlingsproces under de forhold skabt af forskerne i Stuttgart.

Et tværsnit viser en struktur, der ligner en murstensvæg

Strukturen begynder med samlingen af ​​nanofibrene, som var kendt før Stuttgart-projektet. Fibrene består af to vanadiumpentoxidlag med et lag vand imellem. Flere fibre stables oven på hinanden sideværts, danner plader. Pladerne stables også sideværts, men forskudt, oven på hinanden, så strukturen af ​​det lagdelte materiale sandsynligvis vil ligne en murstensvæg i et tværsnit, hvor vanadiumpentoxidpladerne udgør murstenene indlejret i et vandlag, der omgiver dem som mørtel.

Det er denne kombination af hård keramik og blødt vand i den specielle nanostruktur, der gør papiret hårdt, stærk og bøjelig. Det resulterer også i høj ledningsevne i papirplanet og lav ledningsevne uden for planet. Imidlertid, elektriciteten transporteres ikke kun af elektronerne, der bevæger sig langs nanofibrene, men også af ioner i vandlagene mellem keramikken.

Både de elektriske egenskaber og de mekaniske egenskaber af papiret varierer derfor alt efter vandindholdet. Ved at tørre og udgløde materialet, forskerne fjerner hovedsageligt svagt bundet vand for at få de keramiske fibre til at danne en tættere struktur. Da dette også forstærker bindingerne mellem nanofibrene, det gør papiret hårdere og mere stift.

Potentielle anvendelser:batterier, gassensorer og kunstige muskler

"Takket være dens fremragende mekaniske ydeevne, kombineret med de elektriske og kemiske egenskaber, det keramiske papir er velegnet til mange forskellige anvendelser, " siger Burghard. For eksempel, ioner kan være inkorporeret mellem vanadiumpentoxidfibrene og pladerne, hvilket ville gøre papiret velegnet som elektrodemateriale til batterier. "Da papiret er struktureret i regelmæssige og homogent formede lag, ioner kan bevæge sig effektivt i en bestemt retning i planet, " forklarer Žaklina Burghard. Batterier med keramiske papirelektroder kunne derfor oplades hurtigt, men aflades også hurtigt for at tillade høje strømtætheder. Industrien viser allerede stor interesse for at bruge papiret i genopladelige batterier.

Desuden, dets evne til at rumme ioner gør det keramiske papir attraktivt for andre områder. Da elektroner kan gøres mere mobile i vanadiumoxid takket være molekylær interaktion, den er også velegnet til gassensorer. På grund af den lille vanadiumoxidkerne, som er blevet reduceret til blot nogle få mikrometer, instrumenter kan gøres mindre. Ud over, det keramiske papir kunne give liv til kunstige muskler. Når fremmede ioner ophobes i kompositten, det udvider sig. Som en aktuator styret af antallet af interkalerede partikler, det keramiske papir kan skubbe eller trække genstande ned til mikroskopisk størrelse.

"I det keramiske papir, vi kombinerer det bedste fra to verdener, " Žaklina Burghard siger:"vanadiumpentoxids alsidige kemiske egenskaber og de mekaniske egenskaber ved perlemor, et materiale, der er blevet optimeret gennem millioner af år." hendes hold har ingen intentioner om at stoppe der:forskerne ønsker at kombinere det keramiske papir med yderligere materialer for at give det endnu mere alsidige og bedre egenskaber.