p (Phys.org) —Uma nanoestrutura sofisticada torna um papel fino feito de fibras de pentóxido de vanádio eletricamente condutoras, resistentes e flexíveis. p Cientistas em Stuttgart estão atualmente fazendo coisas em uma cerâmica, o que normalmente resultaria em uma pilha de fragmentos. Eles foram os primeiros a produzir um material semelhante ao papel a partir de uma cerâmica de pentóxido de vanádio, que é tão dura quanto cobre, ainda flexível o suficiente para ser enrolado ou dobrado. O material também é diferente de outras cerâmicas, pois é eletricamente condutor. Em um projeto financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), os cientistas da Universidade de Stuttgart, o Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes e o Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido produziram o papel cerâmico que consiste em nanofibras condutoras de pentóxido de vanádio de uma forma direta e simples. As propriedades mecânicas especiais do papel cerâmico são derivadas de sua estrutura, que se assemelha ao da madrepérola. O material parece promissor para aplicações em baterias, sensores de gás planos e flexíveis e atuadores em músculos artificiais.

p O que os cientistas materiais aprenderam apenas nas últimas décadas, A Mãe Natureza pratica há milhões de anos:transformando materiais com propriedades mecânicas modestas em novos, extraordinariamente difícil, resistentes e elásticos, dando-lhes uma nanoestrutura sofisticada. Em conchas de moluscos, por exemplo, plaquetas de aragonita duras, mas quebradiças, são empilhadas em camadas como tijolos e unidas usando uma "argamassa" de proteína, criando assim o difícil, no entanto, madrepérola elástica e robusta.

p Este composto natural serviu de modelo para a pesquisa realizada por cientistas que trabalharam com Žaklina Burghard e Joachim Bill do Instituto de Ciência de Materiais da Universidade de Stuttgart, que é estabelecido no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes no campus Stuttgart Max Planck. Junto com seus colegas do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes e do Instituto Max Planck de Pesquisa de Estado Sólido, eles usaram o pentóxido de vanádio de cerâmica, duro, mas quebradiço, para produzir um papel elástico e eletricamente condutor.

p As fibras se montam em um papel laranja transparente

p Primeiro, os cientistas sintetizaram nanofibras de pentóxido de vanádio usando sal de vanádio solúvel em água de acordo com o procedimento conhecido há mais de 20 anos. A característica bastante incomum dessa cerâmica é que as fibras conduzem eletricidade. Isso é possível porque as cadeias de óxido de metal contêm elétrons fracamente ligados que podem saltar ao longo delas.

p As fibras condutoras se reuniram em um papel elástico e forte - assim que os cientistas de Stuttgart criaram as condições necessárias. Eles distribuíram as nanofibras suspensas em água muito finamente em um substrato, e depois deixe o filme aquoso secar por várias horas em temperatura ambiente, e depois mais algumas horas a 40 ° C, reduzindo lentamente a umidade na câmara climática. Esse processo lento permitiu que as fibras se montassem em padrões precisamente paralelos. Finalmente, eles recozeram o filme a 100 e 150 ° C, produzindo assim um transparente, papel laranja cuja espessura pode ser modificada alterando a quantidade de solução de nanofibra usada (entre 0,5 e 2,5 micrômetros).

p O papel cerâmico é mais elástico e mais forte do que a madrepérola

p "O papel pode ser dobrado como um acordeão ou enrolado, "Žaklina Burghard diz. Na verdade, neste aspecto, o papel cerâmico é provavelmente até superior ao seu modelo natural. "Embora a madrepérola exista em pequenas conchas do mar helicoidal na natureza, este biomineral rígido não pode ser dobrado como uma folha de papel normal. "O papel cerâmico não só é mais elástico do que a madrepérola, também é mais difícil. O que é mais, ele conduz eletricidade. "Contudo, a condutividade ao longo das fibras de papel é muito maior do que entre elas, "Žaklina Burghard diz.

p A razão para a condutividade variável do papel dependendo da direção em que os cientistas o medem, também explica suas propriedades mecânicas notáveis. Ambos são resultado da estrutura do material, que é formado em um processo de automontagem nas condições criadas pelos cientistas em Stuttgart.

p Uma seção transversal mostra uma estrutura muito parecida com uma parede de tijolos

p A estrutura começa com a montagem das nanofibras, que era conhecido antes do projeto de Stuttgart. As fibras consistem em duas camadas de pentóxido de vanádio com uma camada de água entre elas. Várias fibras empilhadas umas sobre as outras lateralmente, formando lajes. As placas também empilham lateralmente, mas cambaleando, um em cima do outro, de modo que a estrutura do material em camadas provavelmente se pareça com uma parede de tijolos em uma seção transversal, onde as placas de pentóxido de vanádio formam os tijolos embutidos em uma camada de água que os envolve como argamassa.

p É esta combinação de cerâmica dura e água mole na nanoestrutura especial que torna o papel duro, forte e flexível. Também resulta em alta condutividade no plano do papel e baixa condutividade fora do plano. Contudo, a eletricidade não é apenas transportada pelos elétrons que se movem ao longo das nanofibras, mas também por íons nas camadas de água entre a cerâmica.

p As propriedades elétricas e mecânicas do papel, portanto, variam de acordo com o teor de água. Ao secar e recozer o material, os cientistas removem principalmente a água fracamente ligada para fazer as fibras cerâmicas formarem uma estrutura mais densa. Uma vez que isso também reforça os laços entre as nanofibras, torna o papel mais duro e rígido.

p Aplicações potenciais:baterias, sensores de gás e músculos artificiais

p "Graças ao seu excelente desempenho mecânico, combinado com as propriedades elétricas e químicas, o papel cerâmico é adequado para inúmeras aplicações diferentes, "Diz Burghard. Por exemplo, íons poderiam ser incorporados entre as fibras e placas de pentóxido de vanádio, o que tornaria o papel adequado como material de eletrodo para baterias. "Como o papel é estruturado em camadas regulares e de formato homogêneo, os íons podem se mover de forma eficiente em uma direção específica no plano, "Žaklina Burghard explica. Baterias com eletrodos de papel cerâmico poderiam, portanto, ser carregadas rapidamente, mas também descarregado rapidamente para permitir altas densidades de corrente. A indústria já mostra grande interesse em usar o papel em baterias recarregáveis.

p Além disso, sua capacidade de acomodar íons torna o papel cerâmico atraente para outras áreas. Uma vez que os elétrons podem se tornar mais móveis no óxido de vanádio, graças à interação molecular, também é adequado para sensores de gás. Devido ao pequeno núcleo de óxido de vanádio, que foi reduzido a apenas alguns micrômetros, os instrumentos podem ser menores. Além disso, o papel cerâmico poderia dar vida a músculos artificiais. Quando íons estranhos se acumulam no composto, ele se expande. Como um atuador controlado pelo número de partículas intercaladas, o papel cerâmico pode empurrar ou puxar objetos até o tamanho microscópico.

p “No papel cerâmico, combinamos o melhor de dois mundos, "Žaklina Burghard diz:" as propriedades químicas versáteis do pentóxido de vanádio e as propriedades mecânicas da madrepérola, um material que foi otimizado ao longo de milhões de anos. "No entanto, sua equipe não tem intenção de parar por aí:os cientistas querem combinar o papel cerâmico com outros materiais para conferir-lhe propriedades ainda mais versáteis e melhores.