(Phys.org) —Una nanoestructura sofisticada hace que un papel delgado como una oblea hecho de fibras de pentóxido de vanadio eléctricamente conductoras sea resistente y flexible.

Los científicos de Stuttgart están haciendo cosas con una cerámica, lo que normalmente resultaría en una pila de fragmentos. Fueron los primeros en producir un material similar al papel a partir de una cerámica de pentóxido de vanadio que es tan dura como el cobre. pero lo suficientemente flexible como para enrollarlo o doblarlo. El material también es diferente de otras cerámicas, ya que es eléctricamente conductor. En un proyecto financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG), los científicos de la Universidad de Stuttgart, el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido produjeron el papel cerámico que consta de nanofibras conductoras de pentóxido de vanadio de una manera sencilla y directa. Las propiedades mecánicas especiales del papel cerámico se derivan de su estructura, que se asemeja al del nácar. El material parece prometedor para aplicaciones en baterías, Sensores y actuadores de gas planos y flexibles en músculos artificiales.

Lo que los científicos de materiales solo han aprendido en las últimas décadas, La madre naturaleza ha practicado durante millones de años:transformar materiales con propiedades mecánicas bastante modestas en nuevos, extraordinariamente duro, los duros y elásticos, dándoles una nanoestructura sofisticada. En conchas de moluscos, por ejemplo, las plaquetas de aragonito duras pero quebradizas se apilan en capas como ladrillos y se unen usando un "mortero" de proteínas, creando así lo duro, pero nacarado elástico y resistente.

Este compuesto natural sirvió de modelo para la investigación llevada a cabo por científicos que trabajan con Žaklina Burghard y Joachim Bill del Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Stuttgart. que se establece en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en el campus de Stuttgart Max Planck. Junto con sus colegas del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido, utilizaron el pentóxido de vanadio cerámico duro pero quebradizo para producir un papel elástico y eléctricamente conductor.

Las fibras se ensamblan en un papel naranja transparente.

Primero, Los científicos sintetizaron nanofibras de pentóxido de vanadio utilizando sal de vanadio soluble en agua de acuerdo con el procedimiento conocido desde hace más de 20 años. La característica bastante inusual de esta cerámica es que las fibras conducen la electricidad. Esto es posible porque las cadenas de óxidos metálicos contienen electrones débilmente unidos que pueden saltar a lo largo de ellas.

Las fibras conductoras se ensamblaron en un papel elástico y resistente, una vez que los científicos de Stuttgart crearon las condiciones necesarias. Distribuyeron las nanofibras suspendidas en agua muy finamente sobre un sustrato, y luego dejar secar la película acuosa durante varias horas a temperatura ambiente, y luego unas horas más a 40 ° C, reduciendo lentamente la humedad en la cámara climática. Este lento proceso permitió que las fibras se ensamblaran en patrones precisamente paralelos. Finalmente, recocieron la película a 100 y 150 ° C, produciendo así un transparente, papel naranja cuyo grosor podría modificarse cambiando la cantidad de solución de nanofibras utilizada (entre 0,5 y 2,5 micrómetros).

El papel cerámico es más elástico y resistente que el nácar.

"El papel se puede doblar como un acordeón o enrollar, "Dice Žaklina Burghard. De hecho, en este aspecto, el papel cerámico es probablemente incluso superior a su modelo natural. "Aunque el nácar existe en pequeñas, conchas marinas helicoidales en la naturaleza, este rígido biomineral no se puede doblar como una hoja de papel normal. "El papel cerámico no solo es más elástico que el nácar, también es más difícil. Qué es más, conduce electricidad. "Sin embargo, la conductividad a lo largo de las fibras del papel es mucho mayor que a lo largo de ellas, ", Dice Žaklina Burghard.

La razón de la conductividad variable del papel según la dirección en la que los científicos lo midan, también explica sus notables propiedades mecánicas. Ambos son el resultado de la estructura del material, que se forma en un proceso de autoensamblaje en las condiciones creadas por los científicos en Stuttgart.

Una sección transversal muestra una estructura muy parecida a una pared de ladrillos.

La estructura comienza con el ensamblaje de las nanofibras, que se conocía antes del proyecto de Stuttgart. Las fibras constan de dos capas de pentóxido de vanadio con una capa de agua entre ellas. Varias fibras se apilan una encima de la otra lateralmente, formando losas. Las losas también se apilan lateralmente, pero tambaleante, Encima del otro, de modo que la estructura del material en capas probablemente se parezca a una pared de ladrillos en una sección transversal, donde las losas de pentóxido de vanadio forman los ladrillos incrustados en una capa de agua que los rodea como un mortero.

Es esta combinación de cerámica dura y agua blanda en la nanoestructura especial lo que endurece el papel, fuerte y maleable. También da como resultado una alta conductividad en el plano del papel y una baja conductividad fuera del plano. Sin embargo, la electricidad no solo es transportada por los electrones que se mueven a lo largo de las nanofibras, sino también por iones en las capas de agua entre la cerámica.

Por tanto, tanto las propiedades eléctricas como las mecánicas del papel varían según el contenido de agua. Al secar y recocer el material, los científicos eliminan principalmente el agua unida débilmente para hacer que las fibras cerámicas formen una estructura más densa. Dado que esto también refuerza los enlaces entre las nanofibras, hace que el papel sea más duro y rígido.

Aplicaciones potenciales:baterías, sensores de gas y músculos artificiales

"Gracias a su excelente rendimiento mecánico, combinado con las propiedades eléctricas y químicas, el papel cerámico es adecuado para numerosas aplicaciones diferentes, "Dice Burghard. Por ejemplo, Los iones podrían incorporarse entre las fibras y losas de pentóxido de vanadio, lo que haría que el papel fuera adecuado como material de electrodo para baterías. "Dado que el papel está estructurado en capas regulares y de forma homogénea, Los iones pueden moverse de manera eficiente en una dirección particular en el plano, "Explica Žaklina Burghard. Por lo tanto, las baterías con electrodos de papel cerámico podrían cargarse rápidamente, pero también se descarga rápidamente para permitir altas densidades de corriente. La industria ya está mostrando un gran interés en utilizar el papel en baterías recargables.

Es más, su capacidad para alojar iones hace que el papel cerámico sea atractivo para otros campos. Dado que los electrones se pueden hacer más móviles en óxido de vanadio gracias a la interacción molecular, también es adecuado para sensores de gas. Debido al pequeño núcleo de óxido de vanadio, que se ha reducido a unos pocos micrómetros, los instrumentos se pueden hacer más pequeños. Además, el papel cerámico podría dar vida a músculos artificiales. Cuando se acumulan iones extraños en el compuesto, se expande. Como actuador controlado por el número de partículas intercaladas, el papel cerámico podría empujar o tirar de objetos hasta un tamaño microscópico.

"En el papel cerámico, combinamos lo mejor de dos mundos, "Žaklina Burghard dice:" las propiedades químicas versátiles del pentóxido de vanadio y las propiedades mecánicas del nácar, un material que se ha optimizado durante millones de años ". Sin embargo, her team has no intention of stopping there:the scientists want to combine the ceramic paper with further materials to provide it with even more versatile and better properties.