مبدأ أسطح TiO2 فائقة المحبة للماء
عادة ، يكون للسطح المطلي TiO2 زاوية تلامس واسعة مع الماء ، ولكن زاوية التلامس مع الماء تقل إلى أقل من 5 درجات بعد التشعيع فوق البنفسجي ، ويمكن أن تصل إلى 0 درجات (أي تنتشر قطرات الماء تمامًا على سطح Tio2) ، مما يُظهر قدرة مائية قوية جدًا. بعد التوقف عن التعرض للضوء ، يتم الحفاظ على محبة الماء الفائقة للسطح لبضع ساعات إلى أسبوع ، ثم تعود ببطء إلى حالة الكراهية للماء قبل التشعيع. يمكن أن يكون المزيد من الإشعاع بالضوء فوق البنفسجي شديد المحبة للماء ، ويمكن للإشعاع فوق البنفسجي المتقطع أن يجعل السطح يحافظ دائمًا على الحالة فائقة المحبة للماء.
يُعتقد في الأصل أن المحبة الفائقة لسطح TiO2 تنشأ من التحلل التحفيزي الضوئي للجزيئات العضوية الممتصة على السطح: في حين أن سطح TiO2 نفسه محب للماء بسبب الامتصاص الكيميائي للماء ، فإن امتصاص المادة العضوية في الهواء يجعل السطح نافرة من الماء. عندما يتم تشعيعها بضوء الأشعة فوق البنفسجية ، يولد السطح مجموعات هيدروكسيل نشطة مؤكسدة قوية ، وتتأكسد المادة العضوية الكارهة للماء وتتحلل بواسطة مجموعات الهيدروكسيل الإيجابية من خلال تفاعل التحلل الضوئي ، مما يجعل السطح يتصرف في حالة ماء ؛ عند توقف الضوء ، سيتم امتصاص المادة العضوية تدريجيًا على سطح TiO2 والعودة إلى حالة كارهة للماء. ومع ذلك ، فقد ثبت أن المحبة الفائقة لسطح TiO2 تختلف عن الأكسدة التحفيزية والتحلل لـ TiO2 ، بل هي نوع آخر من التفاعل الناجم عن الضوء على سطح TiO2 نفسه. للأسباب التالية: ① لا ترتبط درجة المحبة الفائقة لسطح TiO2 بكفاءة التحلل الضوئي للمواد العضوية. لوحظ في بعض بلورات TiO2 المفردة أو البلورات المتعددة مع عدم وجود نشاط تحفيزي ضوئي أو نشاط تحفيز ضوئي منخفض للغاية ؛ ② يمكن لبعض الأيونات المعدنية (مثل النحاس) أن تحسن المنشطات من تفاعل الأكسدة التحفيزي الضوئي لثاني أكسيد التيتانيوم ، مع تقليل خاصية المحبة الفائقة للماء لسطح TiO2 ؛ ③ يختلف عن سطح TiO2 المسامي وأكبر مساحة تفاعل ممكنة مطلوبة لتفاعل الأكسدة التحفيزي الضوئي ، فإن السطح الأملس والكثيف يكون أكثر ملاءمة لخاصيته الفائقة للماء. في ظل الظروف العادية ، تتمتع الأجسام الزيتية مثل إيثيلين جليكول هيكساديكان وثلاثي الجليسريل بزاوية تلامس كبيرة مع سطح TiO2. ومع ذلك ، بعد تشعيع الأشعة فوق البنفسجية ، سيتم أيضًا اختراق هذه السوائل تمامًا في سطح طلاء الزجاج ، أي بعد تشعيع سطح TiO2 بالأشعة فوق البنفسجية مع نشاط ماء وزيت برمائي.
يُعتقد أن المحبة الفائقة للماء لسطح TiO2 تحت ظروف الضوء تتجمد من خلال التغييرات في بنية السطح: في ظل ظروف التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية ، يتم تحفيز إلكترونات نطاق التكافؤ TiO2 إلى نطاق التوصيل ، وتهاجر الإلكترونات والثقوب إلى سطح TiO2 ، لتوليد الإلكترون - أزواج ثقوب على السطح ، تتفاعل الإلكترونات مع Ti4 plus ، وتتفاعل الثقوب مع أيونات الأكسجين السطحية ، والتي تشكل أيونات التيتانيوم ثلاثية التكافؤ الإيجابية والأكسجين على التوالي. في هذه الحالة ، يتم فصل الماء الموجود في الهواء وامتصاصه في فراغ الأكسجين ، مما يشكل سطحًا ممتصًا كيميائيًا (مجموعة هيدروكسيل السطح). يمكن لسطح الامتصاص الكيميائي هذا أن يمتص الماء في الهواء ويشكل طبقة امتصاص فيزيائية ، على سبيل المثال ، يتم تشكيل منطقة شعار عالية الماء حول عيب Ti3 plus ، بينما تظل المساحة المتبقية من السطح كارهة للماء ، وبالتالي تشكل مساحة متناهية الصغر موزعة بشكل موحد. منطقة الشعار المحبة للماء والزيوت على سطح TiO2 ، على غرار ظاهرة الشعيرات الدموية ثنائية الأبعاد. نظرًا لأن حجم الماء أو قطرات الزيت أكبر بكثير من المنطقة المحبة للماء أو الزيتية ، فإن سطح TiO2 العياني يُظهر خصائص محبة للماء وأليف. يتم امتصاص قطرات الماء أو الزيت بواسطة المنطقة الدقيقة المحبة للماء أو المنطقة الرمزية المحبة للدهون على التوالي ، وبالتالي تتسرب إلى السطح. عندما يتم إيقاف تشعيع ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، يتم استبدال مجموعات الهيدروكسيل الممتصة كيميائيًا بالأكسجين في الهواء والعودة إلى الحالة الكارهة للماء.
