Η Αρχή των Υπερυδρόφιλων Επιφανειών TiO2
Κανονικά, η επιφάνεια με επίστρωση TiO2 έχει ευρεία γωνία επαφής με το νερό, αλλά η γωνία επαφής του νερού μειώνεται σε λιγότερο από 5 μοίρες μετά την υπεριώδη ακτινοβολία και μπορεί να φτάσει ακόμη και τους 0 βαθμούς (δηλαδή τα σταγονίδια νερού διαχέονται πλήρως στο επιφάνεια Tio2), παρουσιάζοντας πολύ ισχυρή υδροφιλικότητα. Μετά τη διακοπή της έκθεσης στο φως, η υπερυδροφιλικότητα της επιφάνειας διατηρείται για μερικές ώρες έως μία εβδομάδα και στη συνέχεια επιστρέφει αργά στην υδρόφοβη κατάσταση πριν από την ακτινοβόληση. Περαιτέρω ακτινοβολία με υπεριώδες φως μπορεί να είναι υπερυδρόφιλη και η διαλείπουσα ακτινοβολία υπεριώδους φωτός μπορεί να κάνει την επιφάνεια να διατηρεί πάντα την υπερυδρόφιλη κατάσταση.
Αρχικά πιστεύεται ότι η υπερυδροφιλία της επιφάνειας του TiO2 προέρχεται από τη φωτοκαταλυτική αποσύνθεση οργανικών μορίων που απορροφώνται στην επιφάνεια: ενώ η ίδια η επιφάνεια του TiO2 είναι υδρόφιλη λόγω της χημικής απορρόφησης του νερού, η προσρόφηση οργανικής ύλης στον αέρα κάνει την επιφάνεια υδροφόβος. Όταν ακτινοβολείται από το υπεριώδες φως, η επιφάνεια δημιουργεί ισχυρές οξειδωτικές ενεργές υδροξυλομάδες και η υδρόφοβη οργανική ύλη οξειδώνεται και αποσυντίθεται από τις θετικές ομάδες υδροξυλίου μέσω της αντίδρασης φωτοκαταλυτικής αποσύνθεσης, κάνοντας έτσι την επιφάνεια να συμπεριφέρεται σε υδρόφιλη κατάσταση. όταν σταματήσει το φως, η οργανική ύλη θα απορροφηθεί σταδιακά στην επιφάνεια του TiO2 και θα επιστρέψει σε υδρόφοβη κατάσταση. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί ότι η υπερυδροφιλία της επιφάνειας του TiO2 είναι διαφορετική από τη φωτοκαταλυτική οξείδωση και αποσύνθεση του TiO2, μάλλον είναι ένα άλλο είδος αντίδρασης που προκαλείται από το φως στην ίδια την επιφάνεια του TiO2. Για τους ακόλουθους λόγους: ① Η υπερυδροφιλικότητα της επιφάνειας του TiO2 δεν σχετίζεται με την απόδοση φωτοδιάσπασης της οργανικής ύλης. Έχει παρατηρηθεί σε ορισμένους μονοκρύσταλλους ή πολυκρυστάλλους TiO2 χωρίς φωτοκαταλυτική δραστηριότητα ή πολύ χαμηλή φωτοκαταλυτική δραστηριότητα. ② Ορισμένα μεταλλικά ιόντα (π.χ. χαλκός) ντόπινγκ μπορούν να βελτιώσουν την αντίδραση φωτοκαταλυτικής οξείδωσης του TiO2, ενώ μειώνουν την υπερυδρόφιλη ιδιότητα της επιφάνειας του TiO2. ③ Διαφορετική από την πορώδη επιφάνεια TiO2 και τη μεγαλύτερη δυνατή περιοχή αντίδρασης που απαιτείται για την αντίδραση φωτοκαταλυτικής οξείδωσης, μια λεία και πυκνή επιφάνεια είναι πιο ευνοϊκή για την υπερυδρόφιλη ιδιότητά της. Υπό κανονικές συνθήκες, τα ελαιώδη σώματα όπως το δεκαεξάνιο αιθυλενογλυκόλης και το τριελαϊκό γλυκερύλιο έχουν μεγάλη γωνία επαφής με την επιφάνεια του TiO2. Ωστόσο, μετά την υπεριώδη ακτινοβολία, αυτά τα υγρά θα διεισδύσουν επίσης πλήρως στην επιφάνεια επικάλυψης γυαλιού, δηλαδή μετά από ακτινοβολία UV στην επιφάνεια TiO2 με αμφιφιλική δράση νερού-ελαίου.
Πιστεύεται ότι η υπερ-υδροφιλία της επιφάνειας TiO2 υπό συνθήκες φωτός στερεοποιείται από τις αλλαγές στη δομή της επιφάνειας: υπό συνθήκες ακτινοβολίας UV, τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους TiO2 διεγείρονται στη ζώνη αγωγιμότητας, τα ηλεκτρόνια και οι οπές μεταναστεύουν στην επιφάνεια TiO2, δημιουργώντας ηλεκτρόνια -ζεύγη οπών στην επιφάνεια, τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με το Ti4 plus, οι οπές αντιδρούν με τα επιφανειακά ιόντα οξυγόνου, τα οποία σχηματίζουν θετικά τρισθενή ιόντα τιτανίου και κενά οξυγόνου αντίστοιχα. Σε αυτή την περίπτωση, το νερό στον αέρα διασπάται και προσροφάται στο κενό οξυγόνου, σχηματίζοντας μια χημικοαπορροφημένη επιφάνεια (επιφανειακή υδροξυλική ομάδα). Αυτή η επιφάνεια χημικής απορρόφησης μπορεί περαιτέρω να προσροφήσει νερό στον αέρα και να σχηματίσει μια φυσική στιβάδα προσρόφησης, δηλαδή μια εξαιρετικά υδρόφιλη ζώνη εμβλήματος σχηματίζεται γύρω από το ελάττωμα Ti3 plus, ενώ η υπόλοιπη περιοχή της επιφάνειας παραμένει υδρόφοβη, δημιουργώντας έτσι μια ομοιόμορφη ζώνη διαχωρισμένη σε νανομέγεθος υδρόφιλη και ελαιόφιλη ζώνη εμβλήματος στην επιφάνεια του TiO2, παρόμοια με ένα δισδιάστατο τριχοειδές φαινόμενο. Δεδομένου ότι το μέγεθος των σταγονιδίων νερού ή λαδιού είναι πολύ μεγαλύτερο από την υδρόφιλη ή ελαιόφιλη περιοχή, η μακροσκοπική επιφάνεια TiO2 παρουσιάζει υδρόφιλες και ελαιόφιλες ιδιότητες. Τα σταγονίδια νερού ή λαδιού απορροφώνται από την υδρόφιλη μικροπεριοχή ή τη λιπόφιλη εμβληματική περιοχή αντίστοιχα, διεισδύοντας έτσι στην επιφάνεια. Όταν σταματήσει η ακτινοβολία υπεριώδους ακτινοβολίας, οι χημικοαπορροφημένες υδροξυλικές ομάδες αντικαθίστανται από οξυγόνο στον αέρα και επιστρέφουν στην υδρόφοβη κατάσταση.
