เหตุใดคุณสมบัติทางแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์จึงมีความสำคัญ?

เหตุใดคุณสมบัติทางแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์จึงมีความสำคัญ?

การแนะนำ

ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TIO₂) เป็นวัสดุที่น่าทึ่งและมีการศึกษาอย่างกว้างขวางพร้อมแอพพลิเคชั่นมากมายที่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแสง สารประกอบอนินทรีย์นี้เป็นเรื่องของการวิจัยอย่างกว้างขวางในสาขาต่าง ๆ รวมถึงวิทยาศาสตร์วัสดุเคมีฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม การทำความเข้าใจความสำคัญของคุณสมบัติทางแสงนั้นเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากมันปลดล็อคศักยภาพสำหรับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมากมายและการใช้งานจริง

Tio₂มีอยู่ในรูปแบบผลึกหลายรูปแบบโดยที่พบมากที่สุดคือ Anatase และ Rutile รูปแบบที่แตกต่างกันเหล่านี้แสดงลักษณะทางแสงที่แตกต่างกันซึ่งช่วยให้ความสามารถรอบตัวของวัสดุ คุณสมบัติทางแสงของTio₂อ้างถึงวิธีการโต้ตอบกับแสงรวมถึงแง่มุมต่าง ๆ เช่นการดูดซับการสะท้อนและการกระเจิงของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายในภูมิภาคที่มองเห็นและอัลตราไวโอเลต (UV) ของสเปกตรัม

คุณสมบัติการดูดซับของไทเทเนียมไดออกไซด์

หนึ่งในคุณสมบัติทางแสงที่โดดเด่นที่สุดของTio₂คือการดูดซับที่แข็งแกร่งในภูมิภาคอัลตราไวโอเลต ตัวอย่างเช่น Anatase Tio₂มีขอบการดูดซับโดยทั่วไปประมาณ 380 - 390 nm ซึ่งหมายความว่าสามารถดูดซับแสง UV ได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยความยาวคลื่นที่สั้นกว่าค่านี้ ลักษณะการดูดซับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในหลาย ๆ แอปพลิเคชัน

ในสาขาสูตรครีมกันแดดTio₂เป็นส่วนประกอบสำคัญ ความสามารถของTio₂ในการดูดซับรังสี UV ช่วยปกป้องผิวจากผลกระทบที่เป็นอันตรายของการสัมผัสกับแสงแดดมากเกินไป จากการศึกษาวิจัยเมื่อกำหนดอย่างถูกต้องในผลิตภัณฑ์ครีมกันแดดTio₂สามารถบล็อกส่วนสำคัญของรังสี UVA และ UVB ตัวอย่างเช่นการศึกษาที่ดำเนินการโดย [ชื่อสถาบันวิจัย] พบว่าครีมกันแดดที่มีTIO₂ด้วยการกระจายขนาดอนุภาคที่เหมาะสมสามารถลดความเสียหายของผิวหนังที่เกิดจาก UV ได้มากถึง 80% ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับแบบจำลองผิวหนังมนุษย์

ยิ่งไปกว่านั้นในบริบทของการถ่ายโฟโตแคตไลซิสการดูดซับแสง UV โดยTio₂เป็นขั้นตอนพื้นฐาน Photocatalysis เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานแสงในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาในกรณีนี้Tio₂ เมื่อTio₂ดูดซับโฟตอน UV มันจะสร้างคู่อิเล็กตรอนหลุม สายพันธุ์ที่มีประจุเหล่านี้สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดอกซ์ทำให้การย่อยสลายของมลพิษอินทรีย์ในน้ำและอากาศ ข้อมูลจากการทดลองจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าระบบโฟโตคะตาไลติกที่ใช้ TIO สามารถทำลายสารปนเปื้อนอินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นสีย้อมสารกำจัดศัตรูพืชและสารประกอบอินทรีย์ระเหย (VOCs) ตัวอย่างเช่นในการศึกษาที่ดำเนินการในโรงงานบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรมการใช้โฟโตแคทไลต์Tio₂นำไปสู่การลดลงมากกว่า 70% ในความเข้มข้นของมลพิษสีย้อมบางอย่างภายในระยะเวลา 24 ชั่วโมง

คุณสมบัติการสะท้อนและการกระเจิง

นอกเหนือจากการดูดซึมการสะท้อนและการกระเจิงของแสงโดยTio₂ยังมีบทบาทสำคัญ ดัชนีการหักเหของTio₂ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับวัสดุอื่น ๆ อีกมากมาย สำหรับ Rutile Tio₂ดัชนีการหักเหของแสงสามารถอยู่ในช่วงประมาณ 2.6 ถึง 2.9 ในพื้นที่ที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม ดัชนีการหักเหของแสงสูงนี้นำไปสู่การสะท้อนที่สำคัญและการกระเจิงของเหตุการณ์แสงบนพื้นผิวของTio₂

ในอุตสาหกรรมสีและการเคลือบผิวการสะท้อนและการกระเจิงของTio₂จะถูกนำไปใช้ประโยชน์ Tio₂มักใช้เป็นเม็ดสีในสีเพื่อให้ความขาวและความทึบ เมื่อแสงกระทบพื้นผิวของสีที่มีTio₂ส่วนใหญ่ของแสงเหตุการณ์จะสะท้อนและกระจัดกระจายทำให้สีของมันมีลักษณะสว่างและทึบแสง ตัวอย่างเช่นในการเปรียบเทียบสูตรสีขาวที่แตกต่างกันผู้ที่มีTio₂พบว่ามีการสะท้อนแสงที่สูงขึ้นมากในช่วงที่มองเห็นได้เมื่อเทียบกับสูตรที่ไม่มีtio₂ สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ช่วยเพิ่มความน่าดึงดูดใจของพื้นผิวที่ทาสี แต่ยังช่วยเพิ่มความทนทานเนื่องจากแสงที่สะท้อนและกระจัดกระจายช่วยลดปริมาณรังสี UV และแสงที่มองเห็นได้ซึ่งสามารถเจาะชั้นสีและทำให้เกิดการย่อยสลาย

ในด้านทัศนศาสตร์และโฟโตนิกส์คุณสมบัติการกระเจิงของอนุภาคนาโนTio₂ได้รับการตรวจสอบสำหรับการใช้งานที่มีศักยภาพในอุปกรณ์การกระเจิงแสง ตัวอย่างเช่นนักวิจัยได้สำรวจการใช้อนุภาคนาโนTio₂ในการพัฒนาองค์ประกอบออปติคัลแบบกระจาย องค์ประกอบเหล่านี้สามารถกระจายแสงในลักษณะที่ควบคุมซึ่งมีประโยชน์ในการใช้งานเช่นการแบ็คไลท์ในจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCDs) และในการปรับปรุงความสม่ำเสมอของการกระจายแสงในระบบส่องสว่าง การศึกษาแสดงให้เห็นว่าโดยการควบคุมขนาดและความเข้มข้นของอนุภาคนาโนTio₂อย่างรอบคอบเป็นไปได้ที่จะบรรลุลักษณะการกระเจิงของแสงที่ต้องการสำหรับการใช้งานเฉพาะเหล่านี้

บทบาทของโครงสร้างผลึกในคุณสมบัติทางแสง

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้Tio₂มีอยู่ในโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันส่วนใหญ่เป็น Anatase และ Rutile และโครงสร้างเหล่านี้มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางแสง

โดยทั่วไปรูปแบบแอนาเทสของTio₂มีพลังงานช่องว่างของแถบที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับ rutile พลังงานช่องว่างของแถบจะกำหนดความยาวคลื่นที่วัสดุเริ่มดูดซับแสง สำหรับ Anatase tio₂พลังงานช่องว่างที่สูงขึ้นส่งผลให้การดูดซับที่แข็งแกร่งในภูมิภาค UV ใกล้กับความยาวคลื่นที่สั้นกว่า สิ่งนี้ทำให้ Anatase Tio₂เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่จำเป็นต้องมีการดูดซับรังสี UV สูงเช่นในสูตรครีมกันแดดขั้นสูงหรือในกระบวนการโฟโตคะตาไลติกบางอย่างที่การสร้างคู่อิเล็กตรอนรูจากแสง UV ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่านั้นมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ในทางกลับกัน Rutile Tio₂มีพลังงานช่องว่างของวงดนตรีที่ต่ำกว่าและแสดงลักษณะทางแสงที่แตกต่างกัน มันมีดัชนีการหักเหของแสงที่ค่อนข้างสูงในภูมิภาคที่มองเห็นได้ซึ่งทำให้การใช้งานเป็นที่นิยมมากขึ้นซึ่งการสะท้อนและการกระเจิงของแสงที่มองเห็นนั้นมีความสำคัญเช่นในอุตสาหกรรมสีและการเคลือบ ความแตกต่างในคุณสมบัติทางแสงของ Anatase และ Rutile Tio₂ช่วยให้สามารถเลือกรูปแบบที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของแอปพลิเคชัน

ตัวอย่างเช่นในการศึกษาเปรียบเทียบกิจกรรมโฟโตคะตาไลติกของ anatase และ rutile tio₂สำหรับการย่อยสลายของมลพิษอินทรีย์เฉพาะพบว่า Anatase tio₂แสดงประสิทธิภาพโฟโตคะตาไลติกเริ่มต้นที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตามในระยะเวลาการรักษาที่ยาวนานขึ้น Rutile Tio₂แสดงให้เห็นถึงความมั่นคงที่ดีขึ้นและรักษาประสิทธิภาพโฟโตคะตาไลติกที่ค่อนข้างสอดคล้องกัน สิ่งนี้บ่งชี้ว่าตัวเลือกระหว่าง Anatase และ Rutile Tio₂สำหรับแอปพลิเคชันโฟโตคะตาไลติกจำเป็นต้องพิจารณาทั้งประสิทธิภาพเริ่มต้นและข้อกำหนดความมั่นคงในระยะยาว

คุณสมบัติทางแสงและแอพพลิเคชั่นโซลาร์เซลล์

คุณสมบัติทางแสงของTio₂ยังมีผลกระทบในสาขาของเซลล์แสงอาทิตย์ ในเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อม (DSSCs) Tio₂เป็นองค์ประกอบสำคัญ

ใน DSSC มักจะใช้อนุภาคนาโนtio₂เพื่อสร้างชั้น mesoporous พื้นที่ผิวที่สูงของอนุภาคนาโนTio₂ช่วยให้การดูดซับโมเลกุลสีย้อมมีประสิทธิภาพ เมื่อแสงเกิดขึ้นบน DSSC ชั้นTio₂จะดูดซับโฟตอนสร้างคู่อิเล็กตรอนรู อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรภายนอกซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการผลิตกระแสไฟฟ้า คุณสมบัติการดูดซับของTIO₂ใน UV และภูมิภาคที่มองเห็นได้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของ DSSC ตัวอย่างเช่นการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาคนาโนTio₂เพื่อเพิ่มความสามารถในการดูดซับแสงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของ DSSCs สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญ ในการศึกษาหนึ่งโดยใช้อนุภาคนาโนTio₂ที่มีการกระจายขนาดเฉพาะและการปรับเปลี่ยนพื้นผิวประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของ DSSC เพิ่มขึ้นจากค่าเริ่มต้นประมาณ 5% เป็นมากกว่า 8%

ยิ่งไปกว่านั้นคุณสมบัติการสะท้อนและการกระเจิงของTio₂ยังสามารถส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์ ในบางกรณีการสะท้อนหรือการกระเจิงของแสงที่มากเกินไปจากพื้นผิวของTio₂สามารถลดปริมาณของแสงที่มาถึงชั้นที่ใช้งานอยู่ของเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งจะลดประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามโดยการวิศวกรรมอย่างรอบคอบพื้นผิวของTio₂ตัวอย่างเช่นโดยใช้การเคลือบต่อต้านการสะท้อนแสงหรือโดยการปรับขนาดอนุภาคและการกระจายให้เหมาะสมมันเป็นไปได้ที่จะลดการสูญเสียเหล่านี้และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์

คุณสมบัติทางแสงและแอปพลิเคชันด้านสิ่งแวดล้อม

คุณสมบัติทางแสงของ TIO มีความเกี่ยวข้องอย่างมากในการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของการทำให้บริสุทธิ์ทางอากาศและน้ำ

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในการถ่ายภาพด้วยแสงTio₂สามารถลดมลพิษอินทรีย์ในน้ำและอากาศ การดูดซึมของแสง UV โดยTIO₂และคู่อิเล็กตรอนรูที่ต่อมาช่วยให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและการลดลงที่สลายสารปนเปื้อน ตัวอย่างเช่นในการประยุกต์ใช้ในโลกแห่งความเป็นจริงของการบำบัดน้ำที่มีมลพิษจะใช้เครื่องปฏิกรณ์โฟโตคะตาไลติกที่ใช้Tio₂ เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้สามารถลดความเข้มข้นของมลพิษอินทรีย์ต่างๆเช่นสารกำจัดศัตรูพืชและผงซักฟอกได้มากถึง 60% ภายในไม่กี่ชั่วโมงของการทำงาน ความสามารถของTio₂ในการดูดซับแสง UV อย่างต่อเนื่องและขับเคลื่อนกระบวนการโฟโตคะตาไลติกทำให้เป็นผู้สมัครที่มีแนวโน้มสำหรับโครงการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมขนาดใหญ่

นอกเหนือจากการถ่ายโฟโตแคตไลซิสแล้วคุณสมบัติการสะท้อนและการกระเจิงของTio₂ยังสามารถส่งผลกระทบต่อการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่นในบางกรณีการเคลือบTio₂บนวัสดุก่อสร้างสามารถสะท้อนแสงอาทิตย์ลดปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซึมโดยอาคาร สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การประหยัดพลังงานในระบบทำความเย็นในช่วงฤดูร้อนที่ร้อนแรง การศึกษาแสดงให้เห็นว่าอาคารที่มีอาคารที่เคลือบด้วย TIO สามารถลดการลดการใช้พลังงานทำความเย็นได้มากถึง 20% เมื่อเทียบกับอาคารที่ไม่มีการเคลือบเช่นนี้ สิ่งนี้ไม่เพียง แต่เป็นประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมโดยการลดการใช้พลังงาน แต่ยังมีข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจสำหรับการสร้างเจ้าของ

คุณสมบัติทางแสงและแอปพลิเคชันชีวการแพทย์

Tio₂ยังค้นหาแอพพลิเคชั่นในสาขาชีวการแพทย์และคุณสมบัติทางแสงของมันมีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชันเหล่านี้

ในการรักษาโรคมะเร็งเช่นอนุภาคนาโนTio₂ได้รับการตรวจสอบสำหรับการใช้งานที่มีศักยภาพในการรักษาด้วยแสงและแสง ในการรักษาด้วยแสงความร้อน, อนุภาคนาโนTio₂ดูดซับแสงใกล้อินฟราเรด (NIR) และแปลงเป็นความร้อน ความร้อนที่สร้างขึ้นนั้นสามารถใช้ในการทำลายเซลล์มะเร็ง คุณสมบัติการดูดซับของTIO₂ในภูมิภาค NIR มีความสำคัญสำหรับแอปพลิเคชันนี้ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโดยการวิศวกรรมขนาดและคุณสมบัติพื้นผิวของอนุภาคนาโนTio₂อย่างรอบคอบเป็นไปได้ที่จะเพิ่มการดูดซึม NIR และปรับปรุงประสิทธิภาพของการรักษาด้วยแสงความร้อน ตัวอย่างเช่นในการศึกษารูปแบบเมาส์ของมะเร็งอนุภาคนาโนtio₂ที่มีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่เฉพาะเจาะจงสามารถเพิ่มอุณหภูมิของพื้นที่เนื้องอกให้อยู่ในระดับที่เพียงพอที่จะทำให้เซลล์ตายอย่างมีนัยสำคัญภายในระยะเวลาอันสั้น

ในการบำบัดด้วยโฟโตไดนามิคtio₂อนุภาคนาโนสามารถทำหน้าที่เป็นสารไวแสง เมื่อพวกเขาดูดซับแสงพวกเขาจะสร้างสายพันธุ์ออกซิเจนปฏิกิริยา (ROS) เช่นออกซิเจนเดี่ยว ROS เหล่านี้สามารถทำลายเซลล์มะเร็งได้ การดูดซับแสงโดยอนุภาคนาโนTio₂ในช่วงความยาวคลื่นที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับกระบวนการนี้ การศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าการรวมอนุภาคนาโนtio₂กับ photosensitizers อื่น ๆ หรือโดยการเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติทางแสงของพวกเขามันเป็นไปได้ที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของการรักษาด้วยแสง photodynamic ตัวอย่างเช่นในการทดลองทางคลินิกเกี่ยวกับผู้ป่วยมะเร็งบางชนิดการใช้อนุภาคนาโน TIO รวมกับการรับแสงที่เฉพาะเจาะจงนำไปสู่การปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในผลการรักษาเมื่อเทียบกับการใช้ photosensitizer เพียงอย่างเดียว

บทสรุป

โดยสรุปคุณสมบัติทางแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานที่หลากหลาย คุณสมบัติการดูดซับการสะท้อนและการกระเจิงของมันพร้อมกับอิทธิพลของโครงสร้างผลึกทำให้สามารถมีบทบาทสำคัญในสาขาต่าง ๆ เช่นสูตรครีมกันแดดการถ่ายภาพโฟโตแคตไลซิสอุตสาหกรรมสีและการเคลือบผิวเซลล์แสงอาทิตย์การใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม

ความสามารถของTio₂ในการดูดซับแสง UV ทำให้เป็นส่วนผสมที่มีประสิทธิภาพในครีมกันแดดและส่วนประกอบสำคัญในกระบวนการโฟโตคะตาไลติกสำหรับการทำให้บริสุทธิ์ของน้ำและอากาศ ดัชนีการหักเหของแสงที่สูงและคุณสมบัติการสะท้อนและการกระเจิงจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมสีและการเคลือบเพื่อให้ความขาวและความทึบแสงรวมถึงในเลนส์และโฟโตนิกส์สำหรับการประยุกต์ใช้แสง

โครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันของTio₂, Anatase และ Rutile นำเสนอลักษณะทางแสงที่แตกต่างกันซึ่งสามารถปรับให้เหมาะกับข้อกำหนดของแอปพลิเคชันเฉพาะ ในเซลล์แสงอาทิตย์คุณสมบัติทางแสงของTio₂มีส่วนร่วมในประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อมในขณะที่ในการใช้งานด้านชีวการแพทย์พวกเขาจะถูกใช้ในการรักษาด้วยแสงและโฟโตไดนามิกสำหรับการรักษาโรคมะเร็ง

โดยรวมการวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสงของไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นสิ่งจำเป็นในการปลดล็อกศักยภาพและขยายการใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ซึ่งนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการแก้ปัญหาสำหรับปัญหาการปฏิบัติมากมาย