Keramik zum Falten

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Im Querschnitt ähnelt die Struktur weitgehend einer Ziegelmauer

Das fängt beim Aufbau der Nanofasern an, der schon vor der Stuttgarter Arbeit bekannt war. Die Fasern bestehen aus zwei harten Vanadiumpentoxid-Schichten mit einer Wasserschicht dazwischen. Mehrere dieser Fasern legen sich der Länge nach übereinander und formen plankenförmige Platten. Die Platten wiederum stapeln sich ebenfalls der Länge nach, aber versetzt übereinander, so dass die Struktur des Schichtmaterials im Querschnitt wahrscheinlich weitgehend einer Ziegelsteinmauer ähnelt: die Vanadiumoxid-Platten bilden die Steine, eingebettet in einer Wasserschicht, die sie wie Mörtel umgibt.

Erst die Kombination von harter Keramik und weichem Wasser, verbunden in der speziellen Nanostruktur, macht das Papier hart, bruchfest und biegsam. Und sie bewirkt auch, dass die Leitfähigkeit in der Papierebene hoch, und senkrecht dazu niedrig ist. Transportiert wird der Strom dabei aber nicht nur durch die Elektronen, die an den Nanofasern entlang wandern, sondern auch durch Ionen in den Wasserschichten zwischen der Keramik.

Dabei verändern sich die elektrischen Eigenschaften des Papiers abhängig vom Wassergehalt ebenso wie die mechanischen. Durch das Trocknen und die anschließende Hitzebehandlung entfernen die Forscher vor allem schwach gebundenes Wasser, sodass die Keramikfasern dichter zusammenrücken. Weil sich zwischen den Nanofasern dann gleichzeitig stärkere Bindungen bilden, wird das Papier fester und steifer.

„Dank seiner hervorragenden mechanischen Qualität, gepaart mit den elektrischen und chemischen Eigenschaften, eignet sich das Keramikpapier für zahlreiche Anwendungen“, sagt Burghard. So kann das Papier zwischen den einzelnen Vanadiumoxidfasern und –platten Ionen einlagern und empfiehlt sich daher als Elektrodenmaterial für Batterien. „Weil das Papier in geordneten und gleichmäßig geformten Schichten aufgebaut ist, können Ionen entlang der Plattenebene effizient und gerichtet wandern“, erklärt Žaklina Burghard. Daher könnten sich Batterien mit Elektroden aus Keramikpapier schnell laden lassen, sich umgekehrt aber auch schnell entladen lassen, so dass sie hohe Stromdichten liefern würden. Erste Kontakte zur Industrie, die das Papier in wieder aufladbaren Batterien einsetzen möchte, gibt es bereits.

Denkbar sind Anwendungen in Gassensoren und künstlichen Muskeln

Die Fähigkeit, fremde Ionen aufnehmen zu können, macht das Keramikpapier aber auch noch für andere Bereiche interessant. Da im Vanadiumoxid durch die Wechselwirkung mit Molekülen mehr Elektronen beweglich werden können, bietet es sich auch für den Einsatz in Gassensoren an. Mit einem auf wenige Mikrometer Dicke geschrumpften Vanadiumoxid-Kern ließen sich die Instrumente verkleinern.

Das Keramikpapier könnte zudem künstlichen Muskeln Kraft geben. Wenn sich nämlich fremde Ionen in dem Verbundmaterial ansammeln, dehnt es sich aus. So könnte das Keramikpapier als von der Menge der eingelagerten Teilchen gesteuerter Aktuator Objekte, die mikroskopisch klein sein können, schieben oder ziehen.

„In dem Keramikpapier vereinen wir das Beste aus zwei Welten“, sagt Žaklina Burghard: „die vielseitigen chemischen Eigenschaften des Vanadiumpentoxids und die mechanischen Eigenschaften des über Jahrmillionen optimierten Perlmutts.“ Doch ihr Team will noch weitergehen: Die Wissenschaftler wollen das Keramik-Papier mit weiteren Materialien kombinieren, um ihm noch vielfältigere und bessere Eigenschaften zu geben. (jv)

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