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科学家揭秘钛白粉的自洁力

科学家揭秘钛白粉的自洁力

时 间: 2019-07-18

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摘 要:伊西卡,纽约——二氧化钛是少数几种具有自洁力的矿物质之一;它们利用来自太阳的…

伊西卡,纽约——二氧化钛是少数几种具有自洁力的矿物质之一;它们利用来自太阳的能量将任何落在它们表面的“垃圾”转化成无害的气体,然后飘走。

这些矿物质被用于从建筑瓷砖到汽车镜子等的各种涂料中,但其自洁能力的性质尚不清楚。当在真空中对钛表面进行检测时,科学家们看到的是预期的单个钛原子,但当在空气或溶液中对钛表面进行检测时,一种未知的分子似乎会选择性地附着在其他所有金属原子的表面上,从而形成一个近乎完美的单分子厚层。但这些分子是什么?为什么它们不与每个金属原子结合呢?

康奈尔大学的化学和化学生物学教授梅丽莎·海恩斯与奥地利维也纳的表面科学技术大学教授Ulrike Diebold合办的联合实验室已经得出了令人惊讶的结论:这些自洁表面覆盖着一种已知最古老的清洁剂:简单的醋。

海恩斯说,“我们认为,这一分子层正在帮助二氧化钛发生反应”,他的论文《高亲和吸附力使TiO2在空气和溶液中形成分子状有序界层》于8月23日发表在《科学》杂志上。海恩斯是一位资深作者,化学博士生、海恩斯实验室成员威廉·j·i·德贝内代蒂(William J.I. DeBenedetti)也对此做出了贡献。

结合多种技术,研究人员发现,当二氧化钛暴露在空气中时,其表面会覆盖一个由两种有机酸构成的单分子厚层,这两种有机酸为:醋酸(醋)及其近亲,甲酸。它们都是树木和灌木生长的自然副产品,在城市和农村环境中,以十亿分之几的浓度存在于空气中。

为了证实这些发现,海恩斯在伊萨卡乡村和维也纳城市都进行了实验。“重要的是我们要在不止一个地方做实验,”正在休假的海恩斯说,“如果我们只选择维也纳,那每个人都会说,‘出于某种原因,你的大楼里满是醋。’”

这些分子之所以能选择性地附着在自洁表面,是因为它们的结构发生了变化。这种分子具有双齿(字面意思是“两颗牙齿”)结合的特性,这使得它们比其他分子(如只有单齿结合的醇类) ,可以在更高的温度下紧紧附着在表面。

这种双齿结合使每个分子可与两个钛原子结合。由于一个分子对应每两个钛原子,而以前的研究人员认为分子只与一半的钛原子结合。

这种化学上的理解可能有助于解释二氧化钛的自洁特性。酸分子赋予表面一种“分裂特性”。在晴朗的日子里,酸分子在表面自发地聚集成疏水性蜡涂层,该涂层会排斥许多的分子类型。然而,在雨天,这些酸分子会迅速被冲走,暴露出一个亲水表面。所以,它对冲洗灰尘和其他颗粒的膜状阻隔作用至关重要。

尽管有了这一新发现,这种材料仍有许多未解之谜,康奈尔大学的研究人员目前正在研究阳光在自洁过程中的作用。

海恩斯说:“不知怎的,在表面的这些分子有助于形成这种非常有趣的化学性质,即自洁和氧化性质,而我们才刚开始了解那里发生了什么。“

这项研究的其他贡献者来自捷克共和国的布尔诺理工大学,并得到了美国国家科学基金会、美国能源部国家能源研究科学计算中心、奥地利科学基金会和欧洲研究理事会的支持。

 

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