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StartseiteForschung aktuellKeramik zum Falten04.06.2013

Keramik zum Falten

Stuttgarter Wissenschaftler entwickeln biegbares und leitfähiges 'Papier'

Man kann nicht darauf schreiben, und doch nennt man es Papier - einfach weil es so dünn ist. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben ein Keramik-Papier entwickelt, das nicht so brüchig ist wie seine Vorgänger. Das macht den Werkstoff vielseitig einsetzbar.

Von Susann El Kassar

Ein Keramik-Papier.   (Degussa)
Ein Keramik-Papier. (Degussa)
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Auf dem Tisch vor Professor Joachim Bill liegt eine große Schalenmuschel. Sie schimmert und glänzt türkisfarben – ihn interessiert, woraus sie gemacht ist:

"Der Aufbau von Perlmutt ist so geartet, dass Kalkschichten quasi gestapelt sind und unterbrochen sind durch Eiweißschichten. Das führt letztlich dazu, dass Perlmutt mechanisch viel beständiger ist als Tafelkreide, beides ist Kalk."

Am Lehrstuhl von Joachim Bill an der Universität Stuttgart forscht man nach mechanisch beständigen Stoffen, also Stoffen, die fest und belastbar sind. Joachim Bill konstruiert solche Materialien aus Stoffen, die in Biomaterialien bisher nicht vorkommen, zum Beispiel Vanadium-Pentoxid. Aus Vanadium-Pentoxid hat seine Arbeitsgruppe ein dünnes Keramik-Papier hergestellt, das in seinen Eigenschaften dem Perlmutt zwar sehr ähnelt, das ihm gegenüber aber zwei Vorteile hat: es lässt sich verbiegen und ist leitfähig. Neben der prächtigen Muschel liegt so ein Exemplar des Vanadium-Keramik-Papiers, es ist dunkel orange und glänzt. Die Vanadium-Pentoxid-Moleküle ordnen sich zu Nanofasern an, in Gestalt von schmalen Bändern. In diesen Fasern schließen die Vanadium-Pentoxid-Moleküle zwischen sich Wassermoleküle ein.

"Die Vanadium-Fasern ordnen sich dann zu Platten an, darin sind sie dicht gepackt und alle gleich ausgerichtet, und das über eine Länge von mehreren Mikrometern. Die Platten werden quasi nebeneinander- und aufeinandergeschichtet und ergeben so eine gleichmäßige Schichtstruktur."

Das Vanadium-Papier folge damit wie Perlmutt dem Bauprinzip einer Mauer aus Ziegelstein und Mörtel, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Dr. Žaklina Burghard. Die Platten aus Nanofasern sind die Ziegelsteine, die Wassermoleküle sind der Mörtel. Die Wassermoleküle zwischen den Fasern und zwischen den Faserplatten verbinden die Schichten untereinander. Zusammen mit den Wassermolekülen in den Fasern sorgen sie für die Beweglichkeit des Materials. Das hauchdünne Keramik-Papier lässt sich erstaunlich leicht herstellen. Es muss nicht im Ofen gebrannt werden wie etwa eine Tasse aus Keramik.

"Wir mineralisieren quasi aus einer Salzlösung, aus einer Minerallösung das Material und man wartet und man kann auch Kaffee trinken gehen und wenn man wiederkommt, das dauert natürlich einige Stunden, hat sich die wässrige Lösung in ein Papier umgewandelt."

Die Fasern ordnen sich von selbst in ebenmäßigen Platten an, das zeigen Bilder, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden. Auf den ersten Blick sehen die Platten so fragil aus wie Blätterteig, aber das Papier lässt sich leicht in alle möglichen Richtungen verbiegen, ohne dabei zu brechen und bleibt nach dem Trocknen in dieser Form. Zaklina Burghard hat das Keramik-Papier zur Demonstration in eine Zickzack-Form gebracht und ein anderes zu einer Röhre aufgerollt. Neben der Biegbarkeit hat das Vanadium-Papier noch andere Eigenschaften:

"Wir haben eine gute Kombination von hoher Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit erreicht, es ist schwierig, das in einem Material zu vereinen. Wenn wir unser Material mit anderen Papier-ähnlichen Stoffen vergleichen wie Bucky Paper, das sich aus Kohlenstoff-Nanoröhren zusammensetzt oder Papier aus Graphenoxid, dann zeigt das Vanadium-Papier vergleichbare, zum Teil sogar bessere Eigenschaften, abhängig von der Menge an Wassermolekülen zwischen den Schichten."

Da das Keramik-Papier Strom gut leitet, könnte es sich für Lithium-Batterien oder auch elektrochemische Kondensatoren eignen. Daneben auch für Aktuatoren, also für Elemente, die ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umsetzen.

Schalenmuscheln bieten das alles nicht, und trotzdem zeigt Joachim Bill zum Ende des Gesprächs stolz seine kleine Sammlung von Seeigel-Skeletten aus Kalk. Sie sind schließlich die Inspirationsquelle für seine Forschung, und auch einfach hübsch anzuschauen.

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