REKLAMA


 

REKLAMA


 

Anodowana biżuteria tytanowa Anodowana biżuteria tytanowa BE&W

TiO2, czyli ditlenek tytanu, jest doskonale znany jako pigment – tzw. biel tytanowa. Ma jednak inne właściwości, których wykorzystanie jest dla człowieka niezwykle użyteczne.


Siuzdak_Katarzyna

Autorką tekstu jest
Katarzyna Siuzdak

Instytut Maszyn Przepływowych, Polska Akademia Nauk, Gdańsk
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr inż. Katarzyna Siuzdak jest adiunktem w Ośrodku Technik Plazmowych i Laserowych IMP PAN. Wytwarza i modyfikuje nanorurki ditlenku tytanu. Jest laureatką stypendium START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.


Współczesny świat inżynierii materiałowej to świat różnorodnych związków chemicznych o ciekawych kształtach, strukturach i właściwościach, które przyczyniają się do rewolucji w urządzeniach oraz produktach przydatnych człowiekowi każdego dnia. Wiele słyszymy o cudownych farbach odpornych na grzyby i bakterie, samooczyszczających się powierzchniach, oknach, które zmieniają swoją barwę, czy urządzeniach, które w kilka sekund można naładować energią elektryczną i w równie szybki sposób tę energię odzyskać.

 

Ditlenek tytanu (TiO2) odgrywa w tych wszystkich zastosowaniach ważną rolę. Jest on powszechnie znany jako pigment wykorzystywany ze względu na swoje właściwości kryjące, wzmacniające i rozjaśniające w farbach jako tzw. biel tytanowa. Jednak gdy zaobserwowano, że dodatek tego tlenku powoduje rozkład innych barwników podczas oświetlania, podjęto wiele prac badawczych, by poznać lepiej jego właściwości. Dowiedziono, że w trakcie naświetlania materiał ten wykazuje wysoką stabilność chemiczną, aktywność katalityczną oraz elektrochemiczną. Ponadto jest nietoksyczny i łatwo dostępny, a dobranie odpowiedniej metody i warunków syntezy pozwala na otrzymanie różnorakich kształtów (prętów, rurek, cząstek) tlenku, które nie tylko ciekawie wyglądają, ale w znaczny sposób determinują specyficzne właściwości materiału, np. zwilżalność powierzchni czy zdolność do pochłaniania światła. Dzięki różnorodnym cechom oraz możliwości kontroli morfologii ditlenek tytanu jest stosowany nie tylko jako składnik farb, kremów czy past, ale także do budowy ogniw fotowoltaicznych trzeciej generacji, urządzeń elektrochromowych, jak również baterii. To zachęciło również mnie, by skupić się w pracy naukowej na TiO2 i podjąć próbę przejęcia kontroli nad jego kształtem w skali nanometrycznej.

 

Od kłębka nici do poukładanej trawy

 

Od czasu odkrycia nanorurek węglowych przez Samui Ijimę w 1991 r. specyficzna molekularna geometria i właściwości, które są od niej ściśle uzależnione, nie tylko zainspirowały świat nanotechnologii, ale również spowodowały podjęcie ogromnych starań w dziedzinie fizyki, chemii i inżynierii materiałowej, by opanować syntezę i poznać cechy takich „rurowatych” tworów. Te tubularne struktury charakteryzują się unikatowymi właściwościami elektrycznymi, takimi jak wysoka ruchliwość elektronów, rozwinięta powierzchnia rzeczywista i odporność mechaniczna. Mimo że nanorurki węglowe nadal są powszechnie stosowanym i badanym materiałem, znaczna liczba innych związków chemicznych takich jak tlenki czy siarczki metali o jednowymiarowej geometrii, tzn. takiej, w której jeden wymiar jest większy niż dwa pozostałe, jest syntezowana i wykazuje niezwykłe cechy i właściwości. Podczas gdy nanorurki węglowe w łatwy sposób ulegają splątaniu w pewnego rodzaju kłębki (patrz fot. 2a), to istnieją sposoby syntezy chemicznej, które pozwalają w prosty sposób na otrzymanie uporządkowanych struktur tlenkowych (patrz fot. 2b, c) bezpośrednio na podłożu.

 

  • Nanorurki węglowe (a), nanorurki TiO₂ – widok z boku i z góry warstwy (b, c) – obraz z mikroskopu elektronowego

 

Ordnung muss sein (niem. Porządek musi być) to zasada, która bywa uważana za najwyższą cnotę. Dbałość o porządek panuje nie tylko w świecie człowieka, ale dosięga również niewidocznego dla ludzkiego oka świata nanomateriałów. Wydawać by się mogło, że taka organizacja przestrzenna materiału wymaga zaawansowanego sprzętu oraz kosztownych odczynników, a do tego jest długotrwała. Nic bardziej mylnego. Prezentowane na fot. 2b, c struktury ditlenku tytanu można otrzymać w procesie tzw. anodyzacji elektrochemicznej przebiegającej w układzie dwuelektrodowym. Składa się on z anody, na której wzrasta warstwa, oraz katody, zanurzonych w elektrolicie o odpowiednio dobranym składzie. Sama metoda jest powszechnie znana i używana na skalę technologiczną do powierzchniowej obróbki metalu prowadzącej do powstania na jego powierzchni tlenku. Anodowanie stosuje się najczęściej dla aluminium i jego stopów, ale również dla niektórych stali, tytanu czy stopów magnezu i jest wykorzystywane do antykorozyjnego zabezpieczenia powierzchni metalu czy wytworzenia warstwy izolacyjnej na folii aluminiowej służącej do budowy kondensatorów. Technologia ta znalazła zastosowanie również w zdobnictwie, gdyż powstałe anodowe stopy aluminium mają charakterystyczną fakturę czy kolor dzięki dodaniu do kąpieli elektrolitycznej substancji barwiących.

 

Weź blaszkę i zanurz ją

 

Nanorurki ditlenku tytanu można otrzymać w takim samym procesie, jednakże kluczem do sukcesu jest dobranie odpowiedniego składu elektrolitu oraz parametrów elektrycznych prowadzonego procesu. Co najważniejsze, w składzie elektrolitu musi się znaleźć związek, który będzie źródłem jonów fluorkowych (np. fluorek amonu czy kwas fluorowodorowy), odpowiedzialny za specyficzne wytrawianie podłoża tytanowego. Elektrolit zazwyczaj stanowi roztwór wodno-organiczny, w którym jako związek organiczny stosuje się glikol etylenowy bądź glicerynę, co wpływa na wysokość tworzących się nanorurek i ich kształt. Istotnym parametrem procesu, oprócz składu elektrolitu i jego temperatury, jest napięcie przyłożone między anodą a katodą. Jego wartość pozwala na kontrolę rozmiarów geometrycznych struktury TiO2, w tym m.in. średnicę wewnętrzną i grubość ścianek. Czas trwania procesu zależy od tego, jak długie nanorurki chcemy otrzymać, jednak struktury, które są najczęściej wykorzystywane do dalszych badań, wytwarzane są przez mniej więcej 2 godziny. Po zakończeniu anodyzacji blaszki tytanowe pokryte nanorurkami poddawane są procesowi obróbki termicznej w temperaturze ok. 500ºC w celu przekształcenia struktury amorficznej materiału w krystaliczną, w której zorganizowane ułożenie atomów determinuje właściwości fizykochemiczne wpływające na dalsze zastosowanie tego materiału. Niezwykle ważną zaletą tej metody syntezy jest to, że materiał powstaje bezpośrednio na podłożu, który poddany został procesowi anodowania, dzięki czemu możliwe jest jego natychmiastowe zastosowanie bez prowadzenia dodatkowych procesów związanych z wytworzeniem jednorodnej warstwy.

 

Zgodnie z publikacjami innych autorów i wynikami moich badań uporządkowana struktura w porównaniu z nieuporządkowaną warstwą, np. utworzoną z nanocząstek, ma cztery ważne właściwości. Po pierwsze, wzmocnioną wydajność pochłaniania światła wynikającą z wielokrotnego odbicia promieniowania wewnątrz nanorurki. Po drugie, mniejszą ilość centrów rekombinacji, czyli miejsc, które wyłapują ładunek elektryczny, co w konsekwencji obniża wartość generowanego prądu. Po trzecie, pozwala też na szybsze przemieszczanie się ładunku elektrycznego oraz, po czwarte, umożliwia umieszczenie we wnętrzu rurek innych substancji, np. leków, które następnie mogą być stopniowo uwalniane.

 

Nanorurki TiO2 do gryzienia

 

Dzięki zorganizowanej morfologii do tej pory z sukcesem zastosowano nanorurki TiO2 w ogniwach fotowoltaicznych, urządzeniach do gromadzenia energii – superkondensatorach, procesach fotokatalitycznych prowadzących do degradacji zanieczyszczeń pod wpływem oświetlenia materiału czy też w urządzeniach elektrochromowych, w których zmiana koloru jest wywołana impulsem elektrycznym lub w ogniwach litowo-jonowych. Niedawno naukowcy z Michigan Technological University ogłosili, że nanorurki TiO2 można zastosować również do pokrycia implantów stomatologicznych, które niedługo zagoszczą w gabinetach stomatologicznych. Mimo że wiele ze wstawionych implantów spisuje się bez zarzutu, to zdarza się, że niektóre z nich wypadają lub muszą zostać całkowicie usunięte ze względu na problemy z infekcjami i zakażeniami. Przeprowadzone badania pokazały, że zastosowanie powłoki z nanorurek TiO2 na powierzchni tytanowego wszczepu eliminują takie komplikacje. Ponadto testy nowych implantów dowiodły, że pokrycie z biokompatybilnych nanorurek TiO2 powoduje szybszy wzrost tkanki kostnej i w konsekwencji zapewnia lepszą integrację implantu z kością pacjenta. To niejedyne pozytywne aspekty – rurkowata struktura ditlenku tytanu pozwala również na umieszczenie leków przeciwzapalnych, które mogą być stopniowo uwalniane już po przeprowadzeniu zabiegu, eliminując tradycyjne podanie leku: doustne czy też w formie zastrzyku. Ponadto cienkie warstwy TiO2 są przezroczyste i zapewniają jednocześnie estetyczny, zbliżony do naturalnego uzębienia wygląd implantu.

 

Niewidoczne dla ludzkiego oka struktury nanorurek TiO2 otwierają przed nami nowy, wspaniały świat, w którym znane nam do tej pory materiały i urządzenia znajdują nietypowe zastosowania. Wprowadzenie porządku nie tylko w świecie makro, ale też w świecie nano jest czasem wskazane.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Wang D., Liu Y., Yu B., Zhou F., Liu W. (2009). TiO₂ nanotubes with tunable morphology, diameter, and length: synthesis and photo-electrical/catalytic performance, Chem. Mater. 21, 1198–1206.
Siuzdak K., Szkoda M., Sawczak M., Lisowska-Oleksiak A., Karczewski J., Ryl J. (2015). Enhanced photoelectrochemical and photocatalytic performance of iodine-doped titania nanotube arrays. RSC Advances, 5, 50379–50391.
Nakata K., Fujishima A. (2012). TiO₂ photocatalysis: Design and applications, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 13, 169–189.


© Academia nr 4 (48) 2016

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria materiałowa język językoznawstwo klimatologia kobieta w nauce komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura matematyka medycyna migracje mikrobiologia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt robotyka seksualność socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl