(Phys.org) — Une nanostructure sophistiquée rend un papier ultra-fin fait de fibres de pentoxyde de vanadium électriquement conductrices à la fois résistantes et souples.

Les scientifiques de Stuttgart font actuellement des choses à une céramique, ce qui entraînerait normalement un tas d'éclats. Ils ont été les premiers à produire un matériau semblable à du papier à partir d'une céramique de pentoxyde de vanadium aussi dure que le cuivre, assez flexible pour être enroulé ou plié. Le matériau est également différent des autres céramiques, car il est électriquement conducteur. Dans un projet financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), les scientifiques de l'université de Stuttgart, le Max Planck Institute for Intelligent Systems et le Max Planck Institute for Solid State Research ont produit le papier céramique composé de nanofibres conductrices de pentoxyde de vanadium d'une manière simple et directe. Les propriétés mécaniques particulières du papier céramique découlent de sa structure, qui ressemble à celle de la nacre. Le matériau semble prometteur pour des applications dans les batteries, capteurs et actionneurs de gaz plats et flexibles dans les muscles artificiels.

Ce que les scientifiques des matériaux n'ont appris qu'au cours des dernières décennies, Mère Nature pratique depuis des millions d'années :transformer des matériaux aux propriétés mécaniques plutôt modestes en nouveaux, extraordinairement dur, les durs et élastiques, en leur donnant une nanostructure sophistiquée. Dans les coquilles des mollusques, par exemple, les plaquettes d'aragonite dures mais cassantes sont empilées en couches comme des briques et jointes à l'aide d'un "mortier" de protéines, créant ainsi le dur, nacre encore élastique et robuste.

Ce composite naturel a servi de modèle aux recherches menées par les scientifiques travaillant avec Žaklina Burghard et Joachim Bill de l'Institut des sciences des matériaux de l'Université de Stuttgart, qui est mis en place à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents sur le campus Max Planck de Stuttgart. Avec leurs collègues du Max Planck Institute for Intelligent Systems et du Max Planck Institute for Solid State Research, ils ont utilisé le pentoxyde de vanadium en céramique dur mais cassant pour produire un papier élastique et électriquement conducteur.

Les fibres s'assemblent en un papier orange transparent

D'abord, les scientifiques ont synthétisé des nanofibres de pentoxyde de vanadium à l'aide de sel de vanadium soluble dans l'eau selon la procédure connue depuis plus de 20 ans. La particularité assez inhabituelle de cette céramique est que les fibres conduisent l'électricité. Ceci est possible car les chaînes d'oxydes métalliques contiennent des électrons faiblement liés qui peuvent sauter le long d'elles.

Les fibres conductrices se sont assemblées en un papier élastique et résistant - une fois que les scientifiques basés à Stuttgart avaient créé les conditions nécessaires. Ils ont réparti très finement les nanofibres en suspension dans l'eau sur un substrat, puis laisser sécher le film aqueux pendant plusieurs heures à température ambiante, puis encore quelques heures à 40°C, réduire lentement l'humidité dans la chambre climatique. Ce processus lent a permis aux fibres de s'assembler en motifs précisément parallèles. Finalement, ils ont recuit le film à 100 et 150°C, produisant ainsi un transparent, papier orange dont l'épaisseur pouvait être modifiée en changeant la quantité de solution de nanofibres utilisée (entre 0,5 et 2,5 micromètres).

Le papier céramique est plus élastique et plus résistant que la nacre

"Le papier peut être plié en accordéon ou enroulé, " dit Žaklina Burghard. En fait, dans cet aspect, le papier céramique est probablement même supérieur à son modèle naturel. "Bien que la nacre existe en petit, coquillages hélicoïdaux dans la nature, ce biominéral rigide ne peut pas être plié comme une feuille de papier normale." Le papier céramique est non seulement plus élastique que la nacre, c'est aussi plus dur. De plus, il conduit l'électricité. "Toutefois, la conductivité le long des fibres de papier est beaucoup plus grande qu'à travers elles, " dit aklina Burghard.

La raison de la conductivité variable du papier selon la direction dans laquelle les scientifiques le mesurent, explique aussi ses propriétés mécaniques remarquables. Ils sont tous deux le résultat de la structure du matériau, qui est formé dans un processus d'auto-assemblage dans les conditions créées par les scientifiques de Stuttgart.

Une coupe transversale montre une structure un peu comme un mur de briques

La structure commence par l'assemblage des nanofibres, qui était connu avant le projet de Stuttgart. Les fibres sont constituées de deux couches de pentoxyde de vanadium avec une couche d'eau entre les deux. Plusieurs fibres s'empilent latéralement les unes sur les autres, formant des dalles. Les dalles s'empilent également latéralement, mais décalé, l'un sur l'autre, de sorte que la structure du matériau stratifié ressemblera probablement à un mur de briques dans une section transversale, où les dalles de pentoxyde de vanadium constituent les briques noyées dans une couche d'eau qui les entoure comme du mortier.

C'est cette combinaison de céramique dure et d'eau douce dans la nanostructure spéciale qui rend le papier dur, solide et souple. Il en résulte également une conductivité élevée dans le plan du papier et une faible conductivité hors du plan. Cependant, l'électricité n'est pas seulement transportée par les électrons qui se déplacent le long des nanofibres, mais aussi par des ions dans les couches d'eau entre la céramique.

Aussi bien les propriétés électriques que les propriétés mécaniques du papier varient donc en fonction de la teneur en eau. Par séchage et recuit du matériau, les scientifiques éliminent principalement l'eau faiblement liée pour que les fibres céramiques forment une structure plus dense. Comme cela renforce également les liaisons entre les nanofibres, cela rend le papier plus dur et plus rigide.

Applications potentielles :batteries, capteurs de gaz et muscles artificiels

« Grâce à ses excellentes performances mécaniques, combiné avec les propriétés électriques et chimiques, le papier céramique convient à de nombreuses applications différentes, " dit Burghard. Par exemple, des ions pourraient être incorporés entre les fibres et les plaques de pentoxyde de vanadium, ce qui rendrait le papier approprié comme matériau d'électrode pour les batteries. "Le papier étant structuré en couches régulières et de forme homogène, les ions peuvent se déplacer efficacement dans une direction particulière dans le plan, " explique Žaklina Burghard. Les batteries avec électrodes en papier céramique pouvaient donc être rechargées rapidement, mais aussi déchargée rapidement pour permettre des densités de courant élevées. L'industrie montre déjà un vif intérêt pour l'utilisation du papier dans les batteries rechargeables.

Par ailleurs, sa capacité à accueillir des ions rend le papier céramique attractif pour d'autres domaines. Puisque les électrons peuvent être rendus plus mobiles dans l'oxyde de vanadium grâce à l'interaction moléculaire, il convient également aux capteurs de gaz. En raison du petit noyau d'oxyde de vanadium, qui a été réduite à quelques micromètres, les instruments peuvent être plus petits. En outre, le papier céramique pourrait donner vie à des muscles artificiels. Lorsque des ions étrangers s'accumulent dans le composite, il s'élargit. En tant qu'actionneur contrôlé par le nombre de particules intercalées, le papier céramique pourrait pousser ou tirer des objets jusqu'à une taille microscopique.

« Dans le papier céramique, nous combinons le meilleur des deux mondes, " Žaklina Burghard dit :" les propriétés chimiques polyvalentes du pentoxyde de vanadium et les propriétés mécaniques de la nacre, un matériau optimisé depuis des millions d'années." Cependant, son équipe n'a pas l'intention de s'arrêter là :les scientifiques veulent combiner le papier céramique avec d'autres matériaux pour lui conférer des propriétés encore plus polyvalentes et meilleures.