Итака, штат Нью-Йорк – Диоксид титана — один из немногих минералов, способных самоочищаться; эти вещества используют энергию солнца, чтобы превращать любое поверхностное “загрязнение” в безвредный газ, который просто улетучивается.
Такие минералы используются в разнообразных покрытиях: от керамической плитки до автомобильных зеркал, однако природа их способности к самоочищению не совсем ясна. При исследовании поверхностей в вакууме, как и ожидалось, ученые видят отдельные атомы титана, однако при исследовании поверхностей в воздушной среде или в растворе неизвестная молекула выборочно присоединяется к каждому второму атому металла на поверхности, почти идеальный слой толщиной в одну молекулу. Но что это за молекулы, и почему они не связываются со всеми атомами металлов?
В результате международного сотрудничества между лабораториями Мелиссы Хайнс, профессора химии и химической биологии в Корнеллском университете, и Ульрике Дибольда, профессора в области химии поверхностей в Венском техническом университете, Австрия, были сделаны удивительные выводы, что эти самоочищающиеся поверхности покрыты одним из старейших и известнейших очищающих средств — обычным уксусом.
“Мы думаем, что этот слой молекул помогает диоксиду титана реагировать”, — говорит Хайнс, статья которой “Адсорбция с высокой степенью сродства приводит к образованию молекулярно-упорядоченных структур на TiO2 в воздухе и растворе” была опубликована 23 августа в журнале Science. Хайнс — ведущий автор, также в написание статьи внес свой вклад Уильям Дж.И. ДеБенедетти, аспирант по химии, работающий в лаборатории Хайнс.
Используя комбинацию различных методов, исследователи доказали, что при воздействии воздуха на диоксид титана поверхность покрывается слоем двух органических кислот толщиной в одну молекулу: уксусная кислота и близкая к ней муравьиная кислота. Обе кислоты естественным путем образуются в процессе жизнедеятельности деревьев и кустарников и присутствуют в воздухе в концентрации порядка миллиардных долей, как в городской, так и в сельской среде.
Чтобы подтвердить полученные результаты, экспериментальные исследования были проведены в сельской среде Итаки и в городской среде Вены. “Принципиально важным аспектом было проведение экспериментов в разных местностях”, — говорит Хайнс, которая проводила исследование в Вене во время академического отпуска. “Если бы мы провели исследование только в Вене, нам бы сказали, что по какой-то причине в здании имеется уксус”.
Селективное присоединение этих молекул к самоочищающимся поверхностям объясняется особенностями их структуры. Молекулы отличаются связыванием бидентатных лигандов (буквально "двузубчатых"), что позволяет им прочно держаться на поверхности при более высоких температурах, чем другие молекулы, например, спирты, которые характеризуются только монодентатными лигандами. Такое бидентатное связывание позволяет каждой молекуле связываться с двумя атомами титана. Поскольку на каждую молекулу приходится два атом титана, в предыдущих исследованиях считали, что молекулы связывались только с половиной атомов титана.
Эта интерпретация химического взаимодействия может помочь объяснить механизм самоочищения диоксида титана. Молекулы кислоты придают поверхности "двойственный характер".
В ясный день молекулы кислоты самопроизвольно соберутся в гидрофобное воскообразное покрытие на поверхности, которая будет отталкивать некоторые типы молекул. В дождливый день кислоты будут быстро вымываться, обнажая гидрофильную поверхность, и смывать при этом пыль и другие частицы.
Несмотря на это новое объяснение, многие тайны этого материала еще остаются нераскрытыми, поэтому исследователи из Корнеллского университета сейчас изучают роль солнечного света в процессе самоочищения.
“Так или иначе, молекулы на поверхности связаны с этими действительно интересными химическими свойствами самоочищения и окисления”, — говорит Хайнс. “И мы только начинаем понимать, что происходит”.
В исследовании также приняли участие сотрудники Брненского технического университета в Чешской Республике. Данная работа выполнялась при содействии Национального научного фонда, Национального научного вычислительного центра энергетических исследований Министерства энергетики США, Австралийского научного фонда и Европейского исследовательского совета.
