Діоксид титану - один з небагатьох мінералів, здатних самоочищатися, ці речовини використовують енергію сонця, щоб перетворювати будь - яке поверхове "забруднення" в нешкідливий газ, який просто випаровується.

Такі мінерали використовуються в різноманітних покриттях: від керамічної плитки до автомобільних дзеркал, однак природа їх здатності до самоочищення не зовсім ясна. При дослідженні поверхонь у вакуумі, як і очікувалося, вчені бачать окремі атоми титану, проте при дослідженні поверхонь в повітряному середовищі або в розчині невідома молекула вибірково приєднується до кожного другого атому металу на поверхні, майже ідеальний шар товщиною в одну молекулу. Але що це за молекули, і чому вони не зв'язуються з усіма атомами металів?

В результаті міжнародного співробітництва між лабораторіями Мелісси Хайнс, професора хімії і хімічної біології в Корнеллського університету, і Ульріке Дибольд, професора в області хімії поверхонь у Віденському технічному університеті, були зроблені дивовижні висновки.

"Ми думаємо, що цей шар молекул допомагає діоксиду титану реагувати", - говорить Хайнс, стаття якої "Адсорбція з високим ступенем спорідненості призводить до утворення молекулярно-впорядкованих структур на TiO2 в повітрі і у розчині" була опублікована 23 серпня в журналі Science. Хайнс - провідний автор, також в написання статті вніс свій внесок Вільям Дж.І. ДеБенедетті, аспірант з хімії, що працює в лабораторії Хайнс.

Використовуючи комбінацію різних методів, дослідники довели, що при впливі повітря на діоксид титану поверхня покривається шаром двох органічних кислот товщиною в одну молекулу: оцтова кислота і близька до неї мурашина кислота. Обидві кислоти природним шляхом утворюються в процесі життєдіяльності дерев і чагарників і присутні в повітрі в концентрації близько мільярдних часток, як в міському так і в сільському середовищі.

Щоб підтвердити отримані результати, експериментальні дослідження були проведені в сільському середовищі Ітаки і в міському середовищі Відня. "Принципово важливим аспектом було проведення експериментів в різних місцевостях", - говорить Хайнс, яка проводила дослідження в Відні під час академічної відпустки. "Якби ми провели дослідження тільки у Відні, нам би сказали, що з якоїсь причини в будівлі є оцет".

Селективне приєднання цих молекул до самоочисним поверхонь пояснюється особливостями їх структури. Молекули відрізняються зв'язуванням бідентатно лігандів, що дозволяє їм міцно триматися на поверхні при більш високих температурах, ніж інші молекули, наприклад, спирти, які характеризуються тільки монодентатними лігандами. Таке бідентатне зв'язування дозволяє кожній молекулі зв'язуватися з двома атомами титану. Оскільки на кожну молекулу доводиться два атом титану, в попередніх дослідженнях вважали, що молекули зв'язувалися тільки з половиною атомів титану.

Ця інтерпретація хімічної взаємодії може допомогти пояснити механізм самоочищення діоксиду титану. Молекули кислоти надають поверхні "двоїстий характер".

У ясний день молекули кислоти мимовільно зберуться в гідрофобне віскоподібне покриття на поверхні, яка буде відштовхувати деякі типи молекул. У дощовий день кислоти будуть швидко вимиватися, оголюючи гидрофільну поверхню, і змивати при цьому пил і інші частинки.

Незважаючи на це нове пояснення, багато таємниць цього матеріалу ще залишаються нерозкритими, тому дослідники з Корнельського університету зараз вивчають роль сонячного світла в процесі самоочищення.

"Так чи інакше, молекули на поверхні пов'язані з цими дійсно цікавими хімічними властивостями самоочищення і окислення", - говорить Хайнс. "І ми тільки починаємо розуміти, що відбувається".

У дослідженні також взяли участь співробітники Брненського технічного університету в Чеській Республіці. Дана робота виконувалася за сприяння Національного наукового фонду, Національного наукового обчислювального центру енергетичних досліджень Міністерства енергетики США, Австралійського наукового фонду і Європейського дослідницького ради.