Mikrokiteinen titaanidioksidi

Mikrokiteinen titaanidioksidi on kemiallisesti samaa titaanidioksidia (TiO₂) kuin valkoinen titaanidioksidipigmentti. Mikrokiteisellä titaanidioksidilla on erilaisia ominaisuuksia.

Ominaisuudet ja käyttö

Mikrokiteisen titaanidioksidin kidekoko on alle 100 nanometriä. Se ei anna maalille valkoista väriä vaan on läpinäkyvää. Mikrokiteinen titaanidioksidi absorboi ja heijastaa ultraviolettisäteilyä (UV). UV suoja-aineena käytettävät 10–50 nanometrin kokoiset kiteet on pinnoitettu sopivilla yhdisteillä, jotta kiteiden fotoaktiivisuus jäisi hyvin pieneksi^[1]. Aurinkovoiteisiin saadaan sekä UVA että UVB suojaus pinnoitetun mikrokiteisen titaanidioksidin avulla. Tuote on tullut markkinoille 1990-luvun alussa. Mikrokiteinen titaanidioksidi on tehokas UV-suoja-aine ja se on paljolti korvannut oksibentsoaatteja ja oksinoksaatteja, joilla on haitallisia vaikutuksia ihmisille ja ympäristölle.^[2] Mikrokiteinen titaanidioksidi on turvallista iholla eikä imeydy kudoksiin.^[3]

Kosmetiikan lisäksi pinnoitettua titaanidioksidia käytetään hyväksi UV-suojaa tarvitsevissa kohteissa kuten puulakoissa hidastamaan puun kellastumista auringon valossa tai muoveissa. Tuote soveltuu myös erittäin hyvin ns. metalliefektimaaleihin, joissa ne muuttavat valon heijastusominaisuuksia ja tarjoavat mm. automaalivalmistajille lisää mahdollisuuksia eri värisävyjen vaihtoehtoihin^[4].

Kidekoon vaikutus ulottuu muuhunkin kuin TiO₂:n peittävyyteen. TiO₂ on puolijohde eli sen elektronivyörakenteessa on kohtuullisen kokoinen elektroneilta kielletty energia-alue, jota kutsutaan energia-aukoksi.^[5] Energia-aukon alareunana on miehitetyn valenssivyön yläreuna ja yläreunana miehittämättömän johtavuusvyön alareuna. Tämän aukon koko kasvaa kiteiden pienetessä ja kiteen absorboiman valon aallonpituus pienenee, aallonpituuden ja energian suhtautuessa kääntäen verrannollisesti toisiinsa. Valon vaikutuksesta miehitetyllä valenssivyöllä olevat elektronit virittyvät tyhjälle johtavuusvyölle. Tämän tuloksena TiO₂:n pinnalle syntyy aukkoja ja elektroneja. Säteilytetty titaanidioksidi muodostaa vedestä ja hapesta voimakkaasti hapettavia aktiivisia happityyppejä, jotka aiheuttavat yhdisteiden hajoamisreaktioita^[6]. Syntyvät radikaalit, joilla on parittomia elektroneja, hapettavat ja pelkistävät pinnalle absorboituneita molekyylejä ketjureaktioissa edelleen. Lopulta orgaaninen aine hajoaa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Titaanidioksidin fotokatalyysin kautta avautuu mahdollisuuksia hajottaa ympäristömyrkkyjä ja haitallisia mikro-organismeja sekä puhdistaa ilmaa ja vettä.^[7]

Fotokatalyysillä tarkoitetaan kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat fotokatalyytin pinnalla tai sen läheisyydessä sen absorboidessa valoa. Valoenergian avulla fotokatalyytti saa hitaan reaktion tapahtumaan merkittävästi nopeammin. Itse fotokatalyytti pysyy koko ajan muuttumattomana. Ominaisuuksiltaan paras ja eniten tutkittu fotokatalyyttinen materiaali on titaanidioksidi. UV-säteily on näkyvää valoa energisempää ja fotokatalyytit toimivat yleensä UV-säteilyn vaikutuksesta^[8]. Yleisemmän näkyvän valon alueella (>400 nm) toimivia katalyyttejä kehitetään ja TiO₂:n energia-aukon kokoa ja sijaintia pyritään muokkaamaan lisäämällä rakenteeseen epäpuhtauksia^[9].

Valmistus

Mikrokiteinen titaanidioksidi voi olla kiderakenteeltaan joko anataasia tai rutiilia. Rutiilimuotoa käytetään aurinkovoiteissa ja anataasia fotokatalyyttinä. Anataasimuotoista mikrokiteistä titaanidioksidia saadaan valmistettu kaasufaasilla titaanitetrakloridista (TiCl₄). Rutiilia saadaan saostusmenetelmällä titaanipitoisesta liuoksesta. Jauhamalla pigmentääristä titaanidioksidia ei pystytä valmistamaan mikrokiteistä titaanidioksidia vaan se on valmistettava erikseen.^[10]

Mikrokiteistä titaanidioksidipintaa voidaan rakentaa myös atomikerroskasvatuksella.^[11]

Tutkimus

Tulevaisuudessa titaanidioksidinanoputki (pituus esim. 500 nm) toimii superherkkänä vetysensorina. Uudet kiteiset vain joidenkin nanometrien levyiset TiO₂-putket muuttuvat sähköä johtaviksi vedyn vaikutuksesta ja ”haistavat” vedyn herkästi. ^[12] Biologiset sovellutukset^[13] solujen ja titaanidioksidi nanoputkien väillä kestävät vielä pitkään, mutta tiedetään että nanoputkien muodolla on merkitystä^[14].

TiO₂ on mukana energiasovellusten tutkimuksissa, materiaalitutkimuksissa ja monessa muussa tutkimuksessa, sillä mikrokiteinen TiO₂ on puolijohde ja kemiallisesti stabiili. Käyttökohteita nähdään elektroniikassa kondensaattorina, ilman puhdistuksessa, desinfioinnissa, itsepuhdistuvissa sovelluksissa, antibakteerissa paperissa, aurinkokennoissa,^[4]