Titandioxid stjerner i forskning ved Krakow synkrotron

Få forbindelser er så vigtige for industri og medicin i dag som titaniumdioxid. På trods af variationen og populariteten af ​​dens applikationer, mange spørgsmål relateret til overfladestrukturen af ​​materialer fremstillet af denne forbindelse og de processer, der finder sted deri, forbliver uklare. Nogle af disse hemmeligheder er netop blevet afsløret for videnskabsmænd fra Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi. Det var første gang, de havde brugt SOLARIS-synkrotronen i deres forskning.

Det findes i mange kemiske reaktioner som en katalysator, som pigment i plast, maling eller kosmetik og i medicinske implantater garanterer det deres høje biokompatibilitet. Titandioxid (TiO ₂ ) er praktisk talt allestedsnærværende i dag, hvilket ikke betyder, at alle dets egenskaber allerede er kendt af menneskeheden. En gruppe videnskabsmænd fra Institut for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow, ledet af Dr. Jakub Szlachetko, arbejder på Solaris synkrotron, har formået at kaste lidt lys over detaljerne i oxidationsprocesserne af de ydre lag af titaniumprøver og de relaterede ændringer i materialets elektroniske struktur. Forskningen i titaniumdioxid indviede tilstedeværelsen af ​​IFJ PAN-forskere i forskningsprogrammerne udført på SOLARIS-synkrotronen. Enheden, opererer som en del af National Synchrotron Radiation Centre, er beliggende i Krakow på campus for 600-året for Jagiellonian University.

Synkrotronstråling blev opdaget i 1947, da General Electric lancerede en accelerator, der buede banen for accelererede elektroner ved hjælp af magneter. Partiklerne ville derefter begynde at udsende lys tilfældigt, så de mistede energi – mens de skulle få den! Synkrotronstråling blev derfor betragtet som en uønsket effekt. Kun takket være successive generationer af synkrotronstrålingskilder blev der opnået lysstråler med højere intensiteter og bedre kvalitet af udsendt lys, inklusive høj repeterbarhed af pulser med praktisk talt altid de samme egenskaber.

SOLARIS synkrotron, den største og mest moderne enhed af denne type i Centraleuropa, består af to hoveddele. Den første er en 40 m lang lineær elektronaccelerator. Partikler får energier på 600 megaelektronvolt her, hvorefter de når den anden del af apparatet - det indre af en akkumuleringsring med en omkreds på 96 m, hvor buede magneter, wigglere og undulatorer er placeret på deres vej. Disse er sæt af skiftevis orienterede magneter, indeni hvilken formen af ​​elektronbanen begynder at ligne en sinusformet. Det er så, at de "slingrende" elektroner udsender synkrotronstråling, ledes til de relevante endestationer med måleudstyr. De elektromagnetiske bølger produceret af SOLARIS er klassificeret som bløde røntgenstråler.

De unikke egenskaber ved synkrotronstråling har mange anvendelsesmuligheder:de hjælper med udviklingen af ​​nye materialer, spore forløbet af kemiske reaktioner og gøre det muligt at udføre eksperimenter, der er nyttige til udvikling af nanoteknologi, mikrobiologi, medicin, farmakologi og mange andre områder inden for videnskab og teknologi.

"Forskning på SOLARIS synkrotron åbner helt nye muligheder, så det er ikke underligt, at mange forskningsgrupper fra Polen og i hele verden søger om beamtime her. Selvom vores institut - ligesom SOLARIS synkrotron - er placeret i Krakow, ligesom alle andre konkurrerede vi med hensyn til forskningskvalitet om stråletid på den relevante målestation, " siger prof. Wojciech M. Kwiatek, leder af afdelingen for tværfaglig forskning ved IFJ PAN og formand for Polish Synchrotron Radiation Society. Prof. Kwiatek bemærker, at i en æra med rejserestriktioner forårsaget af udviklingen af ​​pandemien, muligheden for at gennemføre avancerede fysiske undersøgelser praktisk på stedet er en kæmpe fordel.

Forskere fra IFJ PAN udførte deres seneste målinger, medfinansieret af det polske nationale videnskabscenter, på XAS-forsøgsstationen. Den registrerer, hvordan røntgenstråler absorberes af overfladelagene af titaniumprøver, der tidligere er produceret på Instituttet under nøje kontrollerede forhold.

"Vi fokuserede på observationer af ændringerne i den elektroniske struktur af overfladelagene af prøver afhængigt af ændringer i temperatur og fremskridt i oxidationsprocessen. Til dette formål, vi opvarmede titanium-skiver ved forskellige temperaturer og omgivende atmosfærer. Efter at være blevet transporteret til synkrotronforsøgsstationen, prøverne blev belyst med synkrotronstråling, dvs. røntgenstråler. Da egenskaberne ved synkrotronstråling er velkendte, vi var i stand til at bruge det til præcist at bestemme strukturen af ​​ubesatte elektroniske tilstande af titaniumatomer og på dette grundlag drage konklusioner om ændringer i materialets struktur, " siger ph.d.-studerende Klaudia Wojtaszek (IFJ PAN), den første forfatter til artiklen offentliggjort i Journal of Physical Chemistry A.

Titandioxid forekommer i tre polymorfe former, kendetegnet ved forskellige krystallografiske strukturer. Den mest populære er rutil, et mineral, der er almindeligt i mange bjergarter (de andre varianter er anatase og brookit). Forskning på SOLARIS-synkrotronen gjorde det muligt for fysikerne fra Krakow præcist at genskabe processen med at danne den rutile fase. Det viste sig, at det dannes ved lavere temperaturer end hidtil antaget.

"Vores forskning giver grundlæggende viden om materialets struktur. denne struktur er tæt forbundet med de fysisk-kemiske egenskaber af titandioxidoverfladen. Potentielt, vores resultater kan derfor bruges, for eksempel, at optimere overfladeegenskaberne af medicinske implantater, " konkluderer Dr. Anna Wach, der var ansvarlig for udførelsen af ​​eksperimentet ved SOLARIS synkrotron.