Бумага не для письма

У подавляющего большинства людей керамика едва ли ассоциируется с бумагой. Действительно, трудно найти другую пару материалов со столь непохожими или даже взаимоисключающими свойствами. И, тем не менее, группе специалистов Штутгартского университета под руководством профессора Йоханнеса Билля удалось создать материал, который смело можно назвать керамической бумагой.

По словам руководителя проекта, на эту идею его навела переливающаяся всеми цветами радуги морская раковина: "Структура перламутра представляет собой расположенные параллельно слои минерала арагонита, то есть, проще говоря, карбоната кальция, разделенные слоями органической матрицы, эластичных биополимеров - например, белков. Благодаря такой слоистой структуре перламутр обладает значительно большей механической прочностью, чем, скажем, мел, а ведь это тот же карбонат кальция".

Искусственный перламутр на основе пентаоксида ванадия

Теперь группа профессора Билля разработала новый композиционный материал - нечто вроде искусственного перламутра, но на основе другого соединения, живыми организмами не используемого. Это соединение - пентаоксид ванадия. Инновационный материал штутгартских специалистов представляет собой тончайшие прозрачные листы темно-оранжевого цвета и внешне на перламутр совершенно не похож. Не похож он, впрочем, и на керамику, поскольку легко гнется и способен проводить электрический ток, и на бумагу, поскольку писать на нем решительно невозможно. Однако разработчики именуют свое детище керамической бумагой, и не без основания.

Молекулы пентаоксида ванадия связываются в нановолокна, а те, в свою очередь, образуют тонкие чешуйки. Эти чешуйки и формируют ту микроструктуру, которая во многом напоминает перламутр, говорит Жаклина Бургхард (Žaklina Burghard), научная сотрудница кафедры материаловедения, которой заведует профессор Билль: "Этот наш композит состоит из пластинок пентаоксида ванадия, образованных плотно упакованными и параллельно ориентированными нановолокнами. Чешуйки достигают в длину нескольких микрометров. Они располагаются рядом друг с другом и одна поверх другой наподобие кирпичной кладки. А цементным раствором в такой кладке служат молекулы воды".

Пока пьем кофе, раствор превращается в бумагу

Молекулы воды располагаются и внутри нановолокон, и между ними, и между чешуйками, чем и обеспечивается гибкость материала. По словам профессора Билля, получить тонкие листки керамической бумаги оказалось на удивление несложно. По крайней мере, никакого высокотемпературного спекания, как при производстве обычной керамики, не требуется: "Мы минерализуем материал непосредственно из водного раствора солей ванадия. Процедура занимает несколько часов. Присутствовать при этом необязательно, можно пойти пообедать или кофе попить не торопясь. За это время раствор превратится в керамическую бумагу".

На самом деле все это, конечно, не так просто, как может показаться из описания профессора Билля. Специфическая микроструктура керамической бумаги действительно формируется сама собой, но только при строго определенных условиях. Для начала из раствора солей ученые получают водную суспензию, содержащую нановолокна пентаоксида ванадия. Затем ее тончайшим слоем наносят на специальную подложку, где она медленно сохнет на протяжении многих часов - сперва при комнатной температуре, затем при температуре 40 градусов Цельсия.

Удачное сочетание прочности, жесткости и вязкости

За это время нановолокна успевают сориентироваться строго параллельно. Наконец, образовавшаяся пленка выдерживается при температуре от 100 до 150 градусов, и керамическая бумага обретает окончательный вид. В зависимости от количества использованной суспензии, толщина листа может составлять от 0,5 до 2,5 микрометров. Такую бумагу можно согнуть, сложить, скатать в рулон. "Налицо удачное сочетание высокой прочности, жесткости и вязкости - а ведь такие свойства совместить в одном материале очень непросто, - говорит Жаклина Бургхард. - В сравнении с другими бумагообразными материалами - скажем, баки-бумагой на основе углеродных нанотрубок или пленкой из оксида графена, - наша ванадиевая бумага не только им не уступает, но и по ряду параметров превосходит их".

Говоря о будущем применении керамической бумаги, разработчики называют сразу несколько возможных областей: электроды для электрохимических источников тока и аккумуляторов, датчики для газовых извещателей, актуаторы для систем искусственных мышц.