Få föreningar är så viktiga för industri och medicin idag som titandioxid. Trots variationen och populariteten för dess applikationer, många frågor relaterade till ytstrukturen hos material gjorda av denna förening och de processer som äger rum däri är fortfarande oklara. Några av dessa hemligheter har just avslöjats för forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin. Det var första gången de använde SOLARIS synkrotron i sin forskning.

Det finns i många kemiska reaktioner som en katalysator, som pigment i plast, färger eller kosmetika och i medicinska implantat garanterar det deras höga biokompatibilitet. Titandioxid (TiO ₂ ) är praktiskt taget allestädes närvarande idag, vilket inte betyder att alla dess egenskaper redan är kända för mänskligheten. En grupp forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow, ledd av Dr Jakub Szlachetko, arbetar på Solaris synkrotron, har lyckats belysa detaljerna i oxidationsprocesserna för de yttre lagren av titanprover och de relaterade förändringarna i materialets elektroniska struktur. Forskningen om titandioxid invigde närvaron av IFJ PAN-forskare i forskningsprogrammen som genomfördes på SOLARIS-synkrotronen. Enheten, fungerar som en del av National Synchrotron Radiation Centre, ligger i Krakow på campus för 600-årsjubileet av Jagiellonian University.

Synkrotronstrålning upptäcktes 1947, när General Electric lanserade en accelerator som krökte banan för accelererade elektroner med hjälp av magneter. Partiklarna skulle sedan börja avge ljus slumpmässigt, så de tappade energi – medan det var meningen att de skulle få den! Synkrotronstrålning ansågs därför vara en oönskad effekt. Endast tack vare successiva generationer av synkrotronstrålningskällor uppnåddes ljusstrålar med högre intensitet och bättre kvalitet på utsänt ljus, inklusive hög repeterbarhet av pulser med praktiskt taget alltid samma egenskaper.

SOLARIS synkrotron, den största och modernaste enheten av denna typ i Centraleuropa, består av två huvuddelar. Den första är en 40 m lång linjär elektronaccelerator. Partiklar får energier på 600 megaelektronvolt här, varefter de når den andra delen av apparaten - det inre av en ackumuleringsring med en omkrets av 96 m, där böjda magneter, vickare och undulatorer placeras i deras väg. Dessa är uppsättningar av växelvis orienterade magneter, inuti vilken formen på elektronbanan börjar likna en sinusform. Det är då som de "wobblande" elektronerna sänder ut synkrotronstrålning, riktas till lämpliga ändstationer med mätutrustning. De elektromagnetiska vågorna som produceras av SOLARIS klassificeras som mjuka röntgenstrålar.

De unika egenskaperna hos synkrotronstrålning har många tillämpningar:de hjälper till vid utvecklingen av nya material, spåra förloppet av kemiska reaktioner och göra det möjligt att genomföra experiment användbara för utvecklingen av nanoteknik, mikrobiologi, medicin, farmakologi och många andra områden inom vetenskap och teknik.

"Forskning om SOLARIS synkrotron öppnar helt nya möjligheter, så det är inte konstigt att många forskargrupper från Polen och hela världen ansöker om beamtime här. Även om vårt institut – precis som SOLARIS synkrotron – ligger i Krakow, som alla andra tävlade vi i fråga om forskningskvalitet om stråltid vid lämplig mätstation, " säger prof. Wojciech M. Kwiatek, chef för avdelningen för tvärvetenskaplig forskning vid IFJ PAN och ordförande för Polish Synchrotron Radiation Society. Prof. Kwiatek noterar att i en tid av reserestriktioner orsakade av utvecklingen av pandemin, möjligheten att genomföra avancerade fysiska undersökningar praktiskt taget på plats är en stor fördel.

Forskare från IFJ PAN genomförde sina senaste mätningar, medfinansierad av det polska nationella vetenskapscentret, vid XAS försöksstation. Den registrerar hur röntgenstrålar absorberas av ytskikten av titanprover som tidigare producerats vid institutet under noggrant kontrollerade förhållanden.

"Vi fokuserade på observationer av förändringarna i den elektroniska strukturen hos ytskikten av prover beroende på förändringar i temperatur och framsteg av oxidationsprocessen. För detta ändamål, vi värmde titanskivor vid olika temperaturer och omgivande atmosfärer. Efter att ha transporterats till synkrotronexperimentstationen, proverna belystes med synkrotronstrålning, dvs röntgenstrålar. Eftersom egenskaperna hos synkrotronstrålning är välkända, vi kunde använda det för att exakt bestämma strukturen av lediga elektroniska tillstånd av titanatomer och på grundval av detta dra slutsatser om förändringar i materialets struktur, säger doktorand Klaudia Wojtaszek (IFJ PAN), den första författaren till artikeln publicerad i Journal of Physical Chemistry A.

Titandioxid förekommer i tre polymorfa former, kännetecknas av olika kristallografiska strukturer. Den mest populära är rutil, ett mineral som är vanligt i många bergarter (de andra sorterna är anatas och brookit). Forskning på SOLARIS synkrotron gjorde det möjligt för fysikerna från Krakow att exakt återskapa processen för att bilda rutilfasen. Det visade sig att det bildas vid lägre temperaturer än man tidigare trott.

"Vår forskning ger grundläggande kunskap om materialets struktur. denna struktur är nära relaterad till de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos titandioxidytan. Potentiellt, våra resultat kan därför användas, till exempel, för att optimera ytegenskaperna hos medicinska implantat, avslutar Dr. Anna Wach, som var ansvarig för utförandet av experimentet vid SOLARIS synkrotron.