Weinig verbindingen zijn tegenwoordig zo belangrijk voor de industrie en de geneeskunde als titaandioxide. Ondanks de verscheidenheid en populariteit van de toepassingen, veel problemen met betrekking tot de oppervlaktestructuur van materialen gemaakt van deze verbinding en de processen die daarin plaatsvinden, blijven onduidelijk. Sommige van deze geheimen zijn zojuist onthuld aan wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen. Het was de eerste keer dat ze de SOLARIS-synchrotron in hun onderzoek gebruikten.

Het wordt in veel chemische reacties gevonden als katalysator, als pigment in kunststoffen, verven of cosmetica en in medische implantaten garandeert het hun hoge biocompatibiliteit. Titaandioxide (TiO ₂ ) is tegenwoordig vrijwel alomtegenwoordig, wat niet betekent dat al zijn eigenschappen al bekend zijn bij de mensheid. Een groep wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, geleid door Dr. Jakub Szlachetko, werken aan de Solaris-synchrotron, is erin geslaagd enig licht te werpen op de details van de oxidatieprocessen van de buitenste lagen van titaniummonsters en de daarmee samenhangende veranderingen in de elektronische structuur van het materiaal. Het onderzoek naar titaandioxide leidde tot de aanwezigheid van IFJ PAN-wetenschappers in de onderzoeksprogramma's die werden uitgevoerd op de SOLARIS-synchrotron. Het apparaat, opererend als onderdeel van het Nationaal Synchrotron Stralingscentrum, is gelegen in Krakau op de campus van de 600ste verjaardag van de Jagiellonian University.

Synchrotronstraling werd ontdekt in 1947, toen General Electric een versneller lanceerde die het pad van versnelde elektronen kromde met behulp van magneten. De deeltjes zouden dan willekeurig licht gaan uitzenden, dus verloren ze energie, terwijl ze die juist zouden krijgen! Synchrotronstraling werd daarom als een ongewenst effect beschouwd. Alleen dankzij opeenvolgende generaties synchrotronstralingsbronnen werden lichtbundels met hogere intensiteiten en een betere kwaliteit van het uitgestraalde licht bereikt, inclusief hoge herhaalbaarheid van pulsen met vrijwel altijd dezelfde kenmerken.

De SOLARIS-synchrotron, het grootste en modernste apparaat van dit type in Centraal-Europa, bestaat uit twee hoofdonderdelen. De eerste is een 40 m lange lineaire elektronenversneller. Deeltjes krijgen hier een energie van 600 megaelektronvolt, waarna ze het tweede deel van het apparaat bereiken - het binnenste van een accumulatiering met een omtrek van 96 m, waar gebogen magneten, wigglers en undulators worden op hun pad geplaatst. Dit zijn sets van afwisselend georiënteerde magneten, waarbinnen de vorm van het elektronenpad begint te lijken op een sinusoïde. Het is dan dat de "wiebelende" elektronen synchrotronstraling uitzenden, met meetapparatuur naar de juiste eindstations geleid. De elektromagnetische golven die door SOLARIS worden geproduceerd, worden geclassificeerd als zachte röntgenstralen.

De unieke eigenschappen van synchrotronstraling hebben vele toepassingen:ze helpen bij de ontwikkeling van nieuwe materialen, het verloop van chemische reacties volgen en het mogelijk maken om experimenten uit te voeren die nuttig zijn voor de ontwikkeling van nanotechnologie, microbiologie, medicijn, farmacologie en vele andere gebieden van wetenschap en technologie.

"Onderzoek naar de SOLARIS-synchrotron opent geheel nieuwe mogelijkheden, het is dan ook geen wonder dat veel onderzoeksgroepen uit Polen en de rest van de wereld hier beamtime aanvragen. Hoewel ons Instituut - net als de SOLARIS-synchrotron - in Krakau is gevestigd, zoals iedereen streden we op het gebied van onderzoekskwaliteit voor beamtime op het juiste meetstation, " zegt prof. Wojciech M. Kwiatek, hoofd van de afdeling interdisciplinair onderzoek van de IFJ PAN en voorzitter van de Poolse Synchrotron Radiation Society. Prof. Kwiatek merkt op dat in een tijdperk van reisbeperkingen veroorzaakt door de ontwikkeling van de pandemie, de mogelijkheid om vergevorderd lichamelijk onderzoek praktisch ter plaatse uit te voeren is een enorm voordeel.

Onderzoekers van de IFJ PAN voerden hun laatste metingen uit, medegefinancierd door het Poolse Nationale Wetenschapscentrum, op het XAS-proefstation. Het registreert hoe röntgenstralen worden geabsorbeerd door de oppervlaktelagen van titaniummonsters die eerder in het Instituut onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden zijn geproduceerd.

"We hebben ons gericht op observaties van de veranderingen in de elektronische structuur van de oppervlaktelagen van monsters, afhankelijk van veranderingen in temperatuur en voortgang van het oxidatieproces. Voor dit doel hebben we we verwarmden titanium schijven bij verschillende temperaturen en omgevingsatmosferen. Na te zijn vervoerd naar het synchrotron-experimenteerstation, de monsters werden belicht met synchrotronstraling, d.w.z. röntgenstralen. Omdat de eigenschappen van synchrotronstraling goed bekend zijn, we konden het gebruiken om de structuur van onbezette elektronische toestanden van titaniumatomen nauwkeurig te bepalen en op basis hiervan conclusies te trekken over veranderingen in de structuur van het materiaal, " zegt promovendus Klaudia Wojtaszek (IFJ PAN), de eerste auteur van het artikel gepubliceerd in de Tijdschrift voor Fysische Chemie A.

Titaandioxide komt voor in drie polymorfe vormen, gekenmerkt door verschillende kristallografische structuren. De meest populaire is rutiel, een mineraal dat in veel gesteenten voorkomt (de andere varianten zijn anataas en brookiet). Dankzij onderzoek aan de SOLARIS-synchrotron konden de fysici uit Krakau het proces van vorming van de rutielfase nauwkeurig nabootsen. Het bleek dat het bij lagere temperaturen wordt gevormd dan eerder werd gedacht.

"Ons onderzoek levert fundamentele kennis op over de structuur van het materiaal. deze structuur hangt nauw samen met de fysisch-chemische eigenschappen van het titaandioxide-oppervlak. Mogelijk, onze resultaten kunnen daarom worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de oppervlakte-eigenschappen van medische implantaten te optimaliseren, " concludeert Dr. Anna Wach, die verantwoordelijk was voor de uitvoering van het experiment bij SOLARIS synchrotron.