Mi a Titán-dioxid?
A titán-dioxid a mindennapokban is használt ártalmatlan anyag. Része a rágóguminak, a fehér festékeknek, felületi fedőréteg a papíriparban, töltőanyag a gumi- és műanyagiparban. Felhasználásának mértékét jól mutatja a világ TiO2 termelése, mely 1993-ban például 3 730 000 tonna volt és azóta is folyamatosan nő. Túlzás nélkül állítható, hogy a mindennapjaink része, körbevesz minket, még ha nem is tudunk róla. A festékiparban való elterjedésének oka, hogy bár a TiO2 (rutil) nagy kristályai átlátszóak, finom szemcséi olyan erősen szórják a fényt, hogy magas opacitású (fényáteresztő képesség) filmeket készíthetnek belőle (N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Az elemek kémiája, 2004). E tulajdonságának köszönhető, hogy az ultrafinom (20-50 nm) TiO2 UV szűrőként talált alkalmazásra a bőrvédő és kozmetikai szerekben.
A kémai szintézismódszerek fejlődésének köszönhetően idővel lehetővé vált ennél kisebb átmérőjű TiO2 nanorészecskék előállítása is, melyekkel kapcsolatban szinte egyidejűleg fény derült azok antimikrobiális hatására.
Miért nano?
A nanorészecskék manapság elfogadott definíciója szerint olyan részecskék, amelyek mérete 100 nanométer alatt van. Mások máshol jelölik ki ezt a határt, így az érdeklődő találkozhat 20, 50, stb. nanométeres határokkal is. Régen a kolloidika tudománya vizsgálta ezeket a részecskéket, míg manapság inkább nanotechnológiai vívmányokról beszélünk. Rendkívül intenzíven fejlődő terület, melyet jól mutat, hogy míg 2000-ben néhány tíz, addig öt év múlva már ezret meghaladó nanotechnológiát alkalmazó szabadalom született. Számtalan vegyületből lehet nanorészecskét készíteni, akár akaratlanul is. Egyszerű példa erre a cigaretta füstje, amely szintén tartalmaz nanorészecskéket.
A nanotechnológiában kevésbé jártas ember talán meglepődne, ha tudná, hogy mennyire része a mindennapjainknak a nanovilág. Többek között a rágógumiban lévő titán-dioxid jelentős hányada nanorészecske, a nano szilícium-dioxidot csomósodást gátló anyagként használják, nano cseppek segítségével fokozzák a kakaó ízhatását, stb.; a felsorolás napestig folytatható. A nanorészecskék döntő sajátossága, hogy felületük hatalmas a térfogatukhoz képest. Míg egy anyag egy grammja alaktól függően néhány négyzetcentiméter, addig ugyanezen anyag nanorészcskéinek egy grammja több száz négyzetméter is lehet. Ennek köszönhetően előtérbe kerülnek a felülethez kötődő sajátosságok, amelyek új tulajdonságok megjelenését idézik elő.
TiO2 nanorészecskék
A titán-dioxid fotokatalitikus hatását Fujishima és Honda vizsgálta a fény hatására bekövetkező vízbontással kapcsolatban. Tanulmányuk adta az alapot annak a fejlődésnek, amely végül a TiOx megszületéséhez vezetett. A kutatások hamar rámutattak arra, hogy TiO2 nanorészecskék működéséhez fényre és vízre van szükség. E heterogén fotokatalízisnek nevezett jelenség lényege, hogy a félvezető megfelelő hullámhosszúságú fényt elnyelve magasabb energiájú állapotba kerül, amelyet át tud adni a kellő közelségben lévő egyéb anyagnak. A TiO2 félvezető vegyértéksávval és vezetési sávval rendelkezik, előbbin foglalnak helyet az elektronok, utóbbi pedig üres. Amikor a két sáv energiakülönbségénél nagyobb energiájú fény világítja meg a félvezetőt, akkor az elektronok felgerjesztődnek a vezetési sávba hátrahagyva maguk mögött egy üres, „pozitív lyukat”.
Ez egy instabil állapot, ami többféleképpen is megszűnhet. Leggyakoribb, amikor az elektron egyszerűen visszaugrik a vegyértéksávba, miközben kibocsájtódik az elnyelt fény. Amennyiben van(ak) a közelben elektron átadására, továbbá elektron fogadására alkalmas vegyület(ek), akkor az elektron-lyuk pár a vegyület(ek) révén is megszűnhet. Ebben az esetben a félvezető alapállapotba kerül, míg a vele kölcsönható anyag gerjesztett, instabil lesz. Leginkább elfogadott, hogy a felületen lévő oxigénből szuperoxid-gyökion képződik elektronfelvétellel, míg a pozitív lyukak a vízből való hidroxilgyök képződése útján szűnnek meg.
A keletkező vegyületek reakcióba lépnek a felületen lévő mikroorganizmusokkal és roncsolják azok membránját, vagyis létrejön az antimikrobiális hatás. Összegezve a nanorészecske az elnyelt fény segítségével a mikrokörnyezetében olyan állapotot teremt, amely destruktívan lép kölcsönhatásba a felületén megtelepedett organizmusokkal, így gátolja azok szaporodását és rontja az életkörülményeiket. Sokáig megoldandó probléma volt, hogy a titán-dioxid UV-fénnyel gerjeszthető csak, amely komponens a napfényben alig, a mesterséges fényforások többségében pedig szinte egyáltalán nem található meg. Intenzív kutatások eredményeként mára már képesek vagyunk bizonyos mértékben hangolni a gerjesztéshez szükséges hullámhosszt, ami utat nyitott a hétköznapi felhasználás felé.
Míg a korai megoldások magas intenzitású UV fényt igényeltek, addig napjainkra sikerült ezt a hétköznapokban is használt lámpák, illetve a nap fényének fénykibocsátásához illeszteni. Ehhez innovatív megoldások sorára volt szükség és ez az, amit a TiOx kínál: különböző méretű nanorészecskék olyan tudatosan készített koktélja, amely – szemben a piacon található többi termékkel – jól együttműködik a hagyományos és az új típusú fényforásokkal is. Sokáig problémát okozott a megfelelően stabil réteg kialakítása is. Bár a TiO2 nanorészecskék antimikrobiális hatása már egy ideje ismert volt, nehézségekbe ütközött olyan időtálló, mechanikai igénybevételt tűrő felület létrehozása, amely megfelel a hétköznapi felhasználás követelményeinek. Fejlesztéseink eredményeként sikerült leküzdeni ezt a problémát és olyan megoldást kínálunk, amely akkor sem veszti el hatásosságát, ha kitesszük a napi élethelyzetek – a nanostruktúrális felületek stabilitásának szempontjából hatalmas kihívást jelentő – viszontagságainak.
Ehhez az úgynevezett szol-gél eljárást alkalmazzuk. A kijuttatott, nanorészecskéket tartalmazó szuszpenzió hordozóanyaga a levegő hatására kémiai kötéseket alakít ki és létrejön egy szemmel nem látható rendkívül vékony, kis túlzással két dimenziósnak mondható stabil film. A hordozóanyag részben oxigén hidakon keresztül, részben pedig úgynevezett másodlagos kémiai kötőerőkkel (Van der Walls erők) kapcsolódik a felülethez és önmagához, melyben jelentős szerepet játszik a száradás során keletkező szilícium-dioxid (mely a kvarc, üveg, homok alkotója). A felületet kialakító vegyület prekurzora folyékony, ezért kitölti a kezelendő tárgy apró, szubmikroszkópos réseit és a fák gyökeréhez hasonló módon kapaszkodik ahhoz. A szuszpenzióban lévő nanorészecskék szintén ezen a módon ágyazódnak a filmbe: hatalmas felületük miatt az említett másodlagos kötőerők összeadódnak és végül oly naggyá válnak, hogy a részecskék kötődésének stabilitása jóval meghaladja a hétköznapi felhasználás által támasztott igényeket. A felület kialakítását alacsony nyomású porlasztóberendezéssel végezzük, amely biztosítja a teljes befedettséget és a homogén eloszlást.