Cerdanyola del Vallès, 28 de març de 2018. El diòxid de titani és un material fotoactiu i es pot controlar el seu comportament davant l’aigua simplement irradiant-lo amb llum ultraviolada. L’exposició a aquesta llum el fa passar d’un estat hidrofòbic (repel·lent a l’aigua) a un estat hidròfil (amb gran afinitat per l’aigua). Aquesta propietat és reversible així que permet ajustar l’atracció del material per l’aigua segons interessi per les seves possibles aplicacions. Per exemple, si repel·leix l’aigua, en transport o arquitectura aquest tipus de materials ofereixen grans possibilitats per la fabricació de superfícies que no s’entelin.
El canvi de comportament hidrofòbic/hidròfil del diòxid de titani degut a la llum ultraviolada ja és conegut però, tanmateix, hi ha gran controvèrsia sobre què succeeix en dimensions més petites i quins nous efectes indueix la llum ultraviolada en nanoestructures com els nanotubs. Per tenir un coneixement més profund sobre aquest tema, els investigadors de l’Institut de Ciència de Materials de Sevilla han emprat una combinació sense precedents de dues tècniques per obtenir informació complementària a diferents escales.
Per una banda, han usat un microscopi electrònic de rastreig que permet observar els materials in situ, en condicions molt properes a les reals. Així, han obtingut imatges de l’aigua condensada en la superfície dels nanotubs. Quan la superfície de diòxid de titani és hidrofòbica, l’aigua s’hi condensa a sobre en forma de microgotes, minimitzant així el contacte amb el material. Després de l’exposició a la llum ultraviolada, degut a la nova afinitat per l’aigua adquirida del material, la forma del mullat canvia i enlloc de gotes apareix una pel·lícula contínua que “inunda” el nanotub des de l’interior cap a l’exterior del sistema (Fig. 1, esquerra).
Fig.1. ESQUERRA: Imatges de microscopi electrònic de rastreig que mostren l’aigua condensada a la superfície dels nanotubs de diòxid de titani, en estat hidrofòbic (a dalt) i hidròfil (a baix). A dalt es veuen les gotes d’aigua dipositades a la superfície dels nanotubs. A sota, després d’haver estat irradiats amb llum ultraviolada, s’aprecia el canvi de la morfologia de l’aigua condensada, formant ara una pel·lícula contínua que inunda tota l’estructura.
DRETA: Espectres de fotoemissió obtinguts al Sincrotró ALBA, en condicions de buit (a) i exposats a pressions de vapor d’aigua creixent per propiciar la condensació progressiva d’aigua en nanotubs no irradiats (esquerra) i irradiats amb llum ultraviolada (dreta).
Per tal de saber quins mecanismes intervenen en aquest canvi de la condensació de l’aigua, l’equip de Sevilla ha analitzat els nanotubs de diòxid de titani al Sincrotró ALBA, usant l’estació NAPP de la línia de llum CIRCE, que permet dur a terme anàlisis de fotoemissió a pressions properes a les ambientals. Aquesta tècnica amb llum de sincrotró els ha permès saber la composició química de la superfície dels nanotubs i veure com aquesta va variant a mesura que es desenvolupa el procés de condensació d’aigua sobre la mostra. La imatge mostra els espectres de fotoemissió de llum de la superfície dels nanotubs abans i després d’irradiar-los amb llum ultraviolada. A l’afegir vapor d’aigua per promoure la seva condensació sobre el diòxid de titani, s’observa una intensitat menor de la banda de senyal d’aigua en la mostra irradiada, corroborant que en les mostres hidròfiles el fenomen de condensació va des de l’interior a l’exterior de la capa. En conjunt, gràcies als espectres de fotoemissió obtinguts al Sincrotró ALBA dedueixen en quin estat es troba l’aigua i han vist com canvia la seva adsorció abans i després de tractar el diòxid de titani amb llum ultraviolada.
Aquests descobriments quadren amb els resultats obtinguts amb el microscopi electrònic de rastreig. D’aquesta manera, la combinació de tècniques ha permès a l’equip de científics desvelar els factors que controlen la condensació de l’aigua en les superfícies dels nanotubs, tant a nivell microscòpic com molecular. Aquests resultats han contribuït a comprendre els processos de fotoactivació del diòxid de titani, material que constitueix un paradigma entre els òxids fotoactius i àmpliament usat en el desenvolupament de fotocatalitzadors, biomaterials i superfícies auto-rentables.
Reference: Manuel Macias-Montero, Carmen Lopez-Santos, A. Nicolas Filippin, Victor J. Rico, Juan P. Espinos, Jordi Fraxedas, Virginia Perez-Dieste, Carlos Escudero, Agustin R. Gonzalez-Elipe and Ana Borras. In Situ Determination of the Water Condensation Mechanisms on Superhydrophobic and Superhydrophilic Titanium Dioxide Nanotubes. Langmuir (2017), 33, 6449-6456.
