(Phys.org) —Una sofisticata nanostruttura rende una carta sottilissima fatta di fibre di pentossido di vanadio elettricamente conduttive sia resistente che flessibile.

Gli scienziati di Stoccarda stanno attualmente facendo cose su una ceramica, che normalmente risulterebbe in un mucchio di frammenti. Sono stati i primi a produrre un materiale simile alla carta da una ceramica al pentossido di vanadio che è dura come il rame, ma abbastanza flessibile da essere arrotolato o piegato. Il materiale è anche diverso da altre ceramiche, in quanto elettricamente conduttivo. In un progetto finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG), gli scienziati dell'Università di Stoccarda, il Max Planck Institute for Intelligent Systems e il Max Planck Institute for Solid State Research hanno prodotto la carta ceramica costituita da nanofibre conduttive di pentossido di vanadio in modo semplice e diretto. Le speciali proprietà meccaniche della carta ceramica derivano dalla sua struttura, che ricorda quello della madreperla. Il materiale sembra promettente per applicazioni in batterie, sensori e attuatori di gas piatti e flessibili nei muscoli artificiali.

Ciò che gli scienziati dei materiali hanno appreso solo negli ultimi decenni, Madre Natura si esercita da milioni di anni:trasformare materiali con proprietà meccaniche piuttosto modeste in nuovi, straordinariamente duro, quelle dure ed elastiche, dando loro una sofisticata nanostruttura. Nelle conchiglie dei molluschi, ad esempio, le piastrine di aragonite dure ma fragili sono impilate in strati come mattoni e unite usando una "malta" proteica creando così il duro, ma madreperla elastica e robusta.

Questo composito naturale è servito come modello per la ricerca condotta dagli scienziati che lavorano con Žaklina Burghard e Joachim Bill dell'Istituto di Scienza dei Materiali dell'Università di Stoccarda, che è istituito presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems nel campus Max Planck di Stoccarda. Insieme ai loro colleghi del Max Planck Institute for Intelligent Systems e del Max Planck Institute for Solid State Research, hanno usato il pentossido di vanadio ceramico duro ma fragile per produrre una carta elastica ed elettricamente conduttiva.

Le fibre si assemblano in una carta arancione trasparente

Primo, gli scienziati hanno sintetizzato nanofibre di pentossido di vanadio utilizzando sale di vanadio solubile in acqua secondo la procedura nota da oltre 20 anni. La caratteristica piuttosto insolita di questa ceramica è che le fibre conducono elettricità. Ciò è possibile perché le catene di ossido di metallo contengono elettroni debolmente legati che possono saltare lungo di esse.

Le fibre conduttive si sono assemblate in una carta elastica e resistente, una volta che gli scienziati con sede a Stoccarda hanno creato le condizioni necessarie. Hanno distribuito le nanofibre sospese in acqua molto sottilmente su un substrato, e poi lasciare asciugare il film acquoso per alcune ore a temperatura ambiente, e poi ancora qualche ora a 40°C, riducendo lentamente l'umidità nella camera climatica. Questo lento processo ha permesso alle fibre di assemblarsi in modelli esattamente paralleli. Finalmente, hanno ricotto il film a 100 e 150°C, producendo così un trasparente, carta arancione il cui spessore può essere modificato variando la quantità di soluzione di nanofibre utilizzata (tra 0,5 e 2,5 micrometri).

La carta ceramica è più elastica e resistente della madreperla

"La carta può essere piegata a fisarmonica o arrotolata, " dice Žaklina Burghard. Infatti, in questo aspetto, la carta ceramica è probabilmente addirittura superiore al suo modello naturale. "Anche se la madreperla esiste in piccoli, conchiglie elicoidali in natura, questo biominerale rigido non può essere piegato come un normale foglio di carta." La carta ceramica non è solo più elastica della madreperla, è anche più difficile. Inoltre, conduce elettricità. "Però, la conduttività lungo le fibre di carta è molto maggiore che attraverso di esse, " dice Žaklina Burghard.

La ragione della conduttività variabile della carta a seconda della direzione in cui gli scienziati la misurano, spiega anche le sue notevoli proprietà meccaniche. Sono entrambi il risultato della struttura del materiale, che si forma in un processo di autoassemblaggio nelle condizioni create dagli scienziati di Stoccarda.

Una sezione trasversale mostra una struttura molto simile a un muro di mattoni

La struttura inizia con l'assemblaggio delle nanofibre, che era noto prima del progetto di Stoccarda. Le fibre sono costituite da due strati di pentossido di vanadio con uno strato d'acqua in mezzo. Diverse fibre si impilano l'una sull'altra lateralmente, formando lastre. Le lastre si impilano anche lateralmente, ma sbalordito, uno sopra l'altro, in modo che la struttura del materiale stratificato assomiglierà probabilmente a un muro di mattoni in una sezione trasversale, dove le lastre di pentossido di vanadio costituiscono i mattoni annegati in uno strato d'acqua che li circonda come malta.

È questa combinazione di ceramica dura e acqua dolce nella speciale nanostruttura che rende la carta dura, forte e flessibile. Si traduce anche in un'elevata conduttività nel piano di carta e una bassa conduttività fuori dal piano. Però, l'elettricità non è solo trasportata dagli elettroni che si muovono lungo le nanofibre, ma anche da ioni negli strati d'acqua tra la ceramica.

Sia le proprietà elettriche che le proprietà meccaniche della carta variano quindi a seconda del contenuto di acqua. Essiccando e ricotturando il materiale, gli scienziati rimuovono principalmente l'acqua debolmente legata per fare in modo che le fibre ceramiche formino una struttura più densa. Poiché questo rafforza anche i legami tra le nanofibre, rende la carta più dura e rigida.

Potenziali applicazioni:batterie, sensori di gas e muscoli artificiali

"Grazie alle sue ottime prestazioni meccaniche, combinato con le proprietà elettriche e chimiche, la carta ceramica è adatta a numerose applicazioni diverse, " dice Burghard. Per esempio, ioni potrebbero essere incorporati tra le fibre e le lastre di pentossido di vanadio, che renderebbe la carta adatta come materiale per elettrodi per batterie. "Poiché la carta è strutturata in strati regolari e di forma omogenea, gli ioni possono muoversi in modo efficiente in una particolare direzione nel piano, " Spiega Žaklina Burghard. Le batterie con elettrodi di carta ceramica potrebbero quindi essere caricate rapidamente, ma anche scaricato rapidamente per consentire elevate densità di corrente. L'industria sta già mostrando un vivo interesse per l'utilizzo della carta nelle batterie ricaricabili.

Per di più, la sua capacità di accogliere ioni rende la carta ceramica attraente per altri campi. Poiché gli elettroni possono essere resi più mobili nell'ossido di vanadio grazie all'interazione molecolare, è adatto anche per sensori di gas. A causa del piccolo nucleo di ossido di vanadio, che è stato ridotto a pochi micrometri, gli strumenti possono essere ridotti. Inoltre, la carta ceramica potrebbe dare vita a muscoli artificiali. Quando gli ioni estranei si accumulano nel composito, si espande. Come attuatore controllato dal numero di particelle intercalate, la carta ceramica potrebbe spingere o tirare gli oggetti fino a dimensioni microscopiche.

"Nella carta ceramica, uniamo il meglio di due mondi, " Žaklina Burghard dice:"le proprietà chimiche versatili del pentossido di vanadio e le proprietà meccaniche della madreperla, un materiale che è stato ottimizzato nel corso di milioni di anni." Tuttavia, il suo team non ha intenzione di fermarsi qui:gli scienziati vogliono combinare la carta ceramica con altri materiali per dotarla di proprietà ancora più versatili e migliori.