نویسنده: رضیه برجیان(کارشناسی ارشد فیزیک)
تیتانیوم
عدد اتمی تیتانیوم ( Ti ) 22 است. این عنصر را در سال 1791 کشف شد. بعد از کشف اولیه تیتانیوم 119 سال طول کشید تا تیتانیوم خالص به دست بیاید.
تیتانیوم نهمین عنصر فراوان (از نظر وزنی) در پوسته زمین و کره ماه است. تیتانیم که عنصری است نرم، سبک، نقره‌ای براق، درخشان و فلز انتقالی مقاوم در برابر فرسایش، در آلیاژهای محکم و سبک و رنگ‌دانه‌های سفید کاربرد دارد. این عنصر که در هوا می‌سوزد تنها عنصری است که در نیتروژن خالص هم می‌سوزد.
تیتانیوم نهمین عنصر فراوان (از نظر وزنی) در پوسته زمین و کره ماه است. تیتانیم که عنصری است نرم، سبک، نقره‌ای براق، درخشان و فلز انتقالی مقاوم در برابر فرسایش، در آلیاژهای محکم و سبک و رنگ‌دانه‌های سفید کاربرد دارد. این عنصر که در هوا می‌سوزد تنها عنصری است که در نیتروژن خالص هم می‌سوزد.
دیاکسید تیتانیوم
در حال حاضر حدود 95 درصد تولید تیتانیوم دنیا به‌صورت دیاکسید آن (TiO2) مصرف می‌شود که رنگ‌دانه‌ای سفید می‌سازد، 5 درصد باقیمانده به‌صورت فلز تیتانیوم استفاده می‌شود. دیاکسید تیتانیوم ارزان است و به‌طور گسترده در صنعت و فناوری استفاده می‌شود. پودرTio2 از نظر شیمیایی بی‌اثر است، در نور آفتاب رنگ خود را حفظ می‌کند و بسیار مات است؛ این خصوصیت باعث می‌شود تا مواد شیمیایی خاکستری یا قهوه‌ای که بیشتر پلاستیک‌های خانگی را تشکیل می‌دهند به رنگ سفید خالص درخشانی تبدیل کند. دیاکسید تیتانیم خالص دارای ضریب شکست بسیار بالا و تجزیه نوری بیشتر از الماس است. یاقوت کبود ستاره‌ای و یاقوت قرمز درخشندگی خود را از دیاکسید تیتانیوم موجود در خود می‌گیرند. دیاکسید تیتانیوم سه فاز بلوره‌ای آناتاس، روتیل و بروکایت دارد.
دو خاصیت مهم دیگر این ماده خواص فتوکاتالیستی و خود تمیزکنندگی آن است. از این دو خاصیت برای تصفیه آب و فاضلاب‌ها، حذف آلودگی هوا در ساختمان‌ها، تسریع واکنش‌های فتوشیمیایی مانند تولید هیدروژن، ساخت سطوح و لایه‌های ضد مه و شیشه‌های خود تمیزکننده استفاده می‌شود.
خاصیت فوتوکاتالیستی
تحریک لایه‌های دیاکسید تیتانیوم در فاز بلوره‌ای آناتاس با پرتو نور فرابنفش باعث می‌شود الکترون اتم‌های سطحی با جذب فوتون برانگیخته‌شده از لایه ظرفیت به لایه هدایت منتقل شوند. در این حالت زوج الکترون - حفره در سطح نانو ذرات دیاکسید تیتانیوم به وجود می‌آید. مولکول‌های اکسیژن در برخورد با سطح این الکترون‌ها را می‌ربایند. در این حالت سطح ماده بسیار فعال می‌شود، به‌طوری‌که می‌تواند آب را نیز اکسید کند. به این دلیل این ماده در برخورد با مولکول‌های آلوده‌کننده هوا که عموماً مولکول‌های آلی کربنی هستند می‌تواند آن‌ها را اکسید کرده به دیاکسید کربن، آب و غیره تبدیل کند.
خاصیت فوق آب‌دوستی
خاصیت دیگر این ماده خاصیت فوق آب‌دوستی است. این خاصیت با خاصیت فتوکاتالیستی رابطه تنگاتنگی دارد و باعث پدیده خود تمیزکنندگی در این ماده می‌شود. به همین دلیل لایه‌ای نازک از این ماده را روی سطح شیشه، کاشی و بعضی ظروف می‌نشانند تا مانع از کثیف شدن آن شوند.
از یک دیدگاه مواد به دو دسته آب‌دوست و آب‌گریز تقسیم می‌شوند. مواد آب‌دوست معمولاً دارای پیوندهای قطبی بوده و میتوانند در تماس با مولکول آب آن را جذب کنند؛ اما مواد آب‌گریز برخلاف دسته قبل دارای پیوندهای غیر قطبی هستند. اتم‌های این مواد از طریق نیروی واندروالس یکدیگر را جذب می‌نمایند و میتوانند با مولکول‌های آلی پیوند خوبی برقرار کنند، اما با آب و مواد قطبی پیوند برقرار نکرده و آب از سطح آن دور می‌شود.
چنانچه سطح دیاکسید تیتانیوم در مجاورت آب با نور فرابنفش تحریک شود پیوندهای اکسیژن این ماده شکسته شده و به پیوند هیدروکسیل تبدیل می‌شود؛ بنابراین هر اتم تیتانیوم روی سطح دو گروه هیدروکسیل خواهد داشت و می‌تواند مولکول‌های آب را با پیوند هیدروژنی جذب نماید. ازاین‌رو س خاصیت فوق آب‌دوستی آن افزایش می‌یابد.
سطوحی که با این ماده پوشش داده شوند، در اثر چسبیدن مولکول‌های آلی کمتر کثیف می‌شوند و راحت‌تر پاک می‌شوند.
چنانچه سطح دیاکسید تیتانیوم در مجاورت آب با نور فرابنفش تحریک شود پیوندهای اکسیژن این ماده شکسته شده و به پیوند هیدروکسیل تبدیل می‌شود؛ بنابراین هر اتم تیتانیوم روی سطح دو گروه هیدروکسیل خواهد داشت و می‌تواند مولکول‌های آب را با پیوند هیدروژنی جذب نماید. ازاین‌رو س خاصیت فوق آب‌دوستی آن افزایش می‌یابد.
سطوحی که با این ماده پوشش داده شوند، در اثر چسبیدن مولکول‌های آلی کمتر کثیف می‌شوند و راحت‌تر پاک می‌شوند.
کاربردها
فوتوکاتالیست ها و مواد فوق آب‌دوست در کاربردهای متعددی دارند. یکی از کاربردهای این مواد سطوح خود تمیزکننده اعم از شیشه، کاشی و سطوح دیوار است که در برخورد نور ماورا بنفش فعال‌شده و با تجزیه مواد آلی یا ایجاد باندهای ضعیف بین سطح و مواد آلاینده به‌راحتی تمیز می‌شوند. همچنین از فوتوکاتالیست ها در تصفیه آب، هوا یا پساب‌های شیمیایی استفاده می‌شوند. علاوه بر این فوتوکاتالیست ها در
یکی از کاربردهای این مواد سطوح خود تمیزکننده اعم از شیشه، کاشی و سطوح دیوار است معرض نور ماورای بنفش میتوانند باکتری‌ها و ویروس‌ها را از بین ببرند. خواص خود تمیزکنندگی، ضد باکتری و تجزیه آلاینده‌ها محدوده وسیعی از کاربردها برای این مواد ایجاد کرده است که شرکت‌های مختلف درحال‌توسعه آن‌ها و بازارسازی برای آن‌ها می‌باشند. استفاده از نانو ذرات دیاکسید تیتانیوم باعث می‌شود که سطح فعال در واکنش افزایش‌یافته و کارایی افزایش یابد. از سویی طبق قوانین نور و اپتیک، هر چه ذرات ریزتر باشند، طول‌موج‌های کوتاه‌تر را بیشتر جذب می‌کنند؛ بنابراین نانو ذرات دیاکسید تیتانیوم انرژی UV را بیشتر از ذراتی با اندازه معمولی جذب می‌کنند؛ لذا بازدهی تخریب نوری افزایش چشم‌گیری خواهد داشت. به همین دلیل از نانوذرات دیاکسید تیتانیوم در ساخت پوشش‌های تصفیه‌کننده هوا استفاده می‌شود. محصول واکنش پس از بارش باران و یا شستشو با آب از سطح زدوده می‌شود.
بشر 80 درصد از زندگی خود را در محیطی بسته مثل ساختمان‌ها می‌گذراند. لذا، حذف آلاینده‌های موجود در هوای داخل (Indoor Air) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در قدیم، این کار توسط جاذب‌ها یا دستگاه‌های تهویه مطبوع انجام می‌شد که در آن روش‌ها، آلاینده از فازی به فاز دیگر می‌رفت؛ اما حال، این کار توسط جاذب دیاکسید تیتانیوم (TiO2) انجام می‌شود که آلاینده حذف‌شده و به CO2 و H2O تبدیل می‌شود. درنهایت، با استفاده از جاذب TiO2، روش‌های گوناگون حذف آلاینده‌های هوا را در راکتورهای متفاوت در طی فرآیند فتوکاتالیستی وجود دارد.
بشر 80 درصد از زندگی خود را در محیطی بسته مثل ساختمان‌ها می‌گذراند. لذا، حذف آلاینده‌های موجود در هوای داخل (Indoor Air) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در قدیم، این کار توسط جاذب‌ها یا دستگاه‌های تهویه مطبوع انجام می‌شد که در آن روش‌ها، آلاینده از فازی به فاز دیگر می‌رفت؛ اما حال، این کار توسط جاذب دیاکسید تیتانیوم (TiO2) انجام می‌شود که آلاینده حذف‌شده و به CO2 و H2O تبدیل می‌شود. درنهایت، با استفاده از جاذب TiO2، روش‌های گوناگون حذف آلاینده‌های هوا را در راکتورهای متفاوت در طی فرآیند فتوکاتالیستی وجود دارد.
نانوپوشش‌های هوشمند خود تمیز شونده
عموماً فرایند پاک‌سازی و تمیز کردن نمای ساختمان‌ها، شیشه‌ها و برخی دیگر از اجزای داخلی با صرف هزینه و وقت زیادی همراه است و استفاده از پوششهایی که زمینه‌های تمیز شدن خود به خودی سطوح را فراهم آورند، بسیار مفید است. همچنین این دسته از پوشش‌های تمیز شونده با اهداف ضد مهسازی و پاک‌سازی قابل‌استفاده بر روی سطوح شیشه‌ها و بدنه اتومبیل‌ها هستند. از دو نوع اثر (یکی موسوم به آب‌دوستی و دیگری موسوم به آب‌گریزی) در ساخت پوشش‌های خود تمیزشونده استفاده می‌گردد. خاصیت آب‌گریزی سطوح با تکیه بر ایجاد سطوح زبر نانو ساختار و یا میکرونانوساختار ایجاد می‌شود؛ اما خاصیت آب‌دوستی براساس خاصیت نور- آب‌دوستی نانو ذرات نیمه‌هادی ایجاد می‌گردد.
سطح پوشیده شده از نانو ذرات دیاکسید تیتانیوم وقتی در معرض تابش UV قرار گیرد، خاصیت فوق آب‌دوستی پیدا می‌کند. در این حالت آب به محض تماس با سطح به صورت یک ورقه روی سطح پخش می‌شود. پس از انجام واکنش‌های اکسایش و یا کاهش، آلودگی‌های آلی، غیرآلی، باکتری‌ها و یا ویروس‌ها تخریب می‌گردند، سپس آب موجود بر روی سطح، مواد حاصل از تخریب را به‌راحتی می‌زداید.
سطح پوشیده شده از نانو ذرات دیاکسید تیتانیوم وقتی در معرض تابش UV قرار گیرد، خاصیت فوق آب‌دوستی پیدا می‌کند. در این حالت آب به محض تماس با سطح به صورت یک ورقه روی سطح پخش می‌شود. پس از انجام واکنش‌های اکسایش و یا کاهش، آلودگی‌های آلی، غیرآلی، باکتری‌ها و یا ویروس‌ها تخریب می‌گردند، سپس آب موجود بر روی سطح، مواد حاصل از تخریب را به‌راحتی می‌زداید.
نانو پوشش‌های هوشمند زیست فعال
نانو پوشش‌های ضد باکتری که کاربردهای فراوانی در زمینه‌های بهداشتی و پزشکی دارند. از جمله نانو پوشش‌های هوشمندی هستند که از خواص فوتوکاتالیستی نانو ذراتی نظیر TiO2 در ساخت آن‌ها استفاده شده است. رادیکال‌های هیدورکسیلی که درنتیجه جذب امواج UV بر روی سطح نانوذرات TiO2 تولید می‌شوند میتوانند با تخریب غشای سلولی میکروارگانیسم‌ها به ساختار سیتوپلاسم آن آسیب جدی وارد کرده، نهایتاً موجب مرگ و تخریب آن گردند.
تحقیقات ثابت کرده است که گندزدایی با استفاده از نانو ذرات TiO2، سه برابر کلراسیون و 5/1 برابر اوزوناسیون مؤثر واقع می‌شود. مطابق آمار، خسارات اقتصادی ناشی از رسوب کپک و جلبک‌های دریایی بر روی کشتی‌ها و سایر سازه‌های دریایی، میلیاردها دلار در سال برآورد می‌گردد که با کاربرد پوشش‌های نانوساختار ضدخزه می‌توان به رفع این معضل کمک کرد.
ذرات دیاکسید تیتانیوم به عنوان فوتوکاتالیست روی بسیاری از آلاینده‌های محیط‌زیست مؤثر بوده و علاوه بر حذف، آن‌ها را به محصولات سازگار با محیط‌زیست تبدیل می‌کند. این ترکیب ارزان‌قیمت بوده، بازده بالایی داشته و به دلیل وجود امکان بازیافت آن در جهت حذف آلاینده‌ها بسیار کاربرد دارد. بنابراین از دیاکسید تیتانیوم به‌عنوان یک ماده مناسب جهت حذف آلاینده‌های محیطی نظیر مواد آلی سمی و غیرقابل تجزیه، انواع فلزات سنگین از فاضلاب، تصفیه آب‌های آشامیدنی، تخریب باکتری‌ها و ویروس‌ها و تصفیه هوا استفاده می‌شود. همچنین دیاکسید تیتانیوم علاوه بر حذف آلاینده‌ها از آب، در حذف رنگ، طعم، مزه و ترکیبات بودار و مزاحم آب نیز کاربرد دارد.
تحقیقات ثابت کرده است که گندزدایی با استفاده از نانو ذرات TiO2، سه برابر کلراسیون و 5/1 برابر اوزوناسیون مؤثر واقع می‌شود. مطابق آمار، خسارات اقتصادی ناشی از رسوب کپک و جلبک‌های دریایی بر روی کشتی‌ها و سایر سازه‌های دریایی، میلیاردها دلار در سال برآورد می‌گردد که با کاربرد پوشش‌های نانوساختار ضدخزه می‌توان به رفع این معضل کمک کرد.
ذرات دیاکسید تیتانیوم به عنوان فوتوکاتالیست روی بسیاری از آلاینده‌های محیط‌زیست مؤثر بوده و علاوه بر حذف، آن‌ها را به محصولات سازگار با محیط‌زیست تبدیل می‌کند. این ترکیب ارزان‌قیمت بوده، بازده بالایی داشته و به دلیل وجود امکان بازیافت آن در جهت حذف آلاینده‌ها بسیار کاربرد دارد. بنابراین از دیاکسید تیتانیوم به‌عنوان یک ماده مناسب جهت حذف آلاینده‌های محیطی نظیر مواد آلی سمی و غیرقابل تجزیه، انواع فلزات سنگین از فاضلاب، تصفیه آب‌های آشامیدنی، تخریب باکتری‌ها و ویروس‌ها و تصفیه هوا استفاده می‌شود. همچنین دیاکسید تیتانیوم علاوه بر حذف آلاینده‌ها از آب، در حذف رنگ، طعم، مزه و ترکیبات بودار و مزاحم آب نیز کاربرد دارد.
کاربردهای تیتانیوم دیاکسید در صنعت نساجی
امروزه تحقیقات گسترده‌ای در زمینه تکمیل پارچه‌ها و مقاوم نمودن آن‌ها به اشعه ماورای بنفش با استفاده از نانوتکنولوژی صورت گرفته است. تنها یک لایه نازک دیاکسید تیتانیوم بر روی سطح منسوج پنبه‌ای، کافی است تا آن را در برابر اشعه ماوراءبنفش به خوبی محافظت کند. ازآنجایی‌که الیاف سلولزی محتوی رطوبت بالایی دارند میتوانند به‌راحتی الکتریسیته ساکن را دفع نمایند. با توجه به این امر تحقیقات نانوفناوری در زمینه بهبود خصوصیت آنتی استاتیکی منسوجات متمرکز شده است. نانو ذرات تیتانیوم دیاکسید به‌واسطه قابلیت هدایت الکتریکی به الیاف مصنوعی خاصیت آنتی استاتیک می‌بخشند.
برای مقابله با محدودیت‌های موجود در استفاده از رزین‌ها، برخی از محققین با استفاده از نانو ذرات تیتانیوم دیاکسید و با ذرات نانو سیلیکا ابریشم و سلولز را در برابر چروک مقاوم نمودند.
برای مقابله با محدودیت‌های موجود در استفاده از رزین‌ها، برخی از محققین با استفاده از نانو ذرات تیتانیوم دیاکسید و با ذرات نانو سیلیکا ابریشم و سلولز را در برابر چروک مقاوم نمودند.
دیگر کاربردهای نانوذرات دی اکسید تیتانیوم
1- در کرم‌های ضد آفتاب برای محافظت از پوست
2- تولید مسواک‌هایی که ما را از استفاده از خمیردندان بی‌نیاز می‌کند و در عوض، در داخل آن، هسته‌ای از جنس دیاکسید تیتانیم وجود دارد که باعث ایجاد نوعی واکنش الکتروشیمیایی می‌شود که در نتیجه آن جرم دندان‌ها از بین می‌رود.
3- در تهیه حسگر اکسیژن که در صنایع خودروسازی استفاده قرار می‌شود. در چند دهه اخیر قوانین سخت‌گیرانه محیط‌زیست برای حذف آلاینده‌ها که در نتیجه احتراق ناقص در اتومبیل‌ها تولید می‌شود باعث استفاده وسیع از مبدل‌های کاتالیستی شده است. استفاده از مبدل‌های کاتالیستی در خودروها مستلزم استفاده از حسگرهای اکسیژن است.
4- در تولید آینه‌های دی‌الکتریک که برای استفاده در لیزرها ارجحیت بیش‌تری دارند. این آینه‌ها تنها متشکل از یکسری لایه‌های نازک نارسانا که یکی بعد از دیگری قرار می‌گیرند است. برای نمونه ترتیب 15 لایه سلیکا (Sio2 ) و دیاکسید تیتانیم (Tio2) هر یک به ضخامت چند صد نانومتر که روی لایه اصلی شیشه جمع شده‌اند، چنین آینه‌هایی به‌آسانی میتوانند بیش از 99.9% و در مواردی حتی بیش از 99.9999% توان نوری را بازتاب دهند.
از این ماده در تصفیه آب، رنگ‌زدایی، بوزدایی، ساخت سرامیک‌های ویژه، از بین بردن سلول‌های سرطانی، ساخت فتوکاتالیست ها، تولید رنگ، کاغذسازی، تولید لوازم بهداشتی و آرایشی، تهیه پوشش‌های محافظ در مقابل اشعه ماورای بنفش، پوشش دادن سایر مواد و خلاصه هرکجا که نیاز به پوشانندگی و درخشندگی باشد، استفاده می‌شود. همچنین از تیتانیوم دیاکسید در ساخت سلول‌های خورشیدی، وسایل الکترو اپتیکی، ای تی او برای Icd های تصویری، LED ها، در تولید ماورای بنفش و همچنین در لامپهای کم‌مصرف به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود.
3- در تهیه حسگر اکسیژن که در صنایع خودروسازی استفاده قرار می‌شود. در چند دهه اخیر قوانین سخت‌گیرانه محیط‌زیست برای حذف آلاینده‌ها که در نتیجه احتراق ناقص در اتومبیل‌ها تولید می‌شود باعث استفاده وسیع از مبدل‌های کاتالیستی شده است. استفاده از مبدل‌های کاتالیستی در خودروها مستلزم استفاده از حسگرهای اکسیژن است.
4- در تولید آینه‌های دی‌الکتریک که برای استفاده در لیزرها ارجحیت بیش‌تری دارند. این آینه‌ها تنها متشکل از یکسری لایه‌های نازک نارسانا که یکی بعد از دیگری قرار می‌گیرند است. برای نمونه ترتیب 15 لایه سلیکا (Sio2 ) و دیاکسید تیتانیم (Tio2) هر یک به ضخامت چند صد نانومتر که روی لایه اصلی شیشه جمع شده‌اند، چنین آینه‌هایی به‌آسانی میتوانند بیش از 99.9% و در مواردی حتی بیش از 99.9999% توان نوری را بازتاب دهند.
از این ماده در تصفیه آب، رنگ‌زدایی، بوزدایی، ساخت سرامیک‌های ویژه، از بین بردن سلول‌های سرطانی، ساخت فتوکاتالیست ها، تولید رنگ، کاغذسازی، تولید لوازم بهداشتی و آرایشی، تهیه پوشش‌های محافظ در مقابل اشعه ماورای بنفش، پوشش دادن سایر مواد و خلاصه هرکجا که نیاز به پوشانندگی و درخشندگی باشد، استفاده می‌شود. همچنین از تیتانیوم دیاکسید در ساخت سلول‌های خورشیدی، وسایل الکترو اپتیکی، ای تی او برای Icd های تصویری، LED ها، در تولید ماورای بنفش و همچنین در لامپهای کم‌مصرف به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود.
منابع:
1. C.N.R.Roa, A.Muller, A.K.Cheetham, The chemistry of nano materials synthesis, properties and aplicotions.vol2.
2. Jun-Bo Han, Sha Ding, Dai-Jian Chen, Zhong-Hua Hao, Qu-Quan Wang, Microstructure and percolation threshold characteristics of reactive sputtered Au–TiO2 granular composite films, Journal of Non-Crystalline Solids 352 (2006) 386–389.
3. محمد الهی، سارا محمدی بیلانکوهی، ساخت فیلم‌های نانوذره TiO2 به روش سل-ژل و بررسی ویژگی‌های الکتریکی و اپتیکی آن‌ها، کنفرانس فیزیک ایران، 1385.
4. میرشکاری سلیمانی، محمد؛ عظیمی راد، روح ا…؛ اخوان، امید؛ مشفق، علیرضا، بررسی اثر مدت‌زمان تابش و تاریکی بر خاصیت آب‌دوستی لایه‌نازک اسپاترینگ Tio2، دومین کنفرانس ملّی خلأ انجمن خلأ ایران.
5. مقدمه‌ای برنانو تکنولوژی، پوول،چارلز و جی. اون،فرانک؛ موسسه انتشارات یزد،1385.
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:26 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
