موضوع مقاله: تیتانیوم دی‌اکسید | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تیتانیوم دی‌اکسید | مقدمه: تیتانیوم دی‌اکسید همچنین به عنوان تیتانیوم(۴) اکسید یا تیتانیا شناخته شده، پدیداریِ طبیعی اکسیدتیتانیوم است با فرمول شیمیایی TiO2. | ## بخش 1: تیتانیوم دی‌اکسید | هنگامی که به عنوان رنگدانه استفاده می‌شود، به نام‌های تیتانیوم سفید، رنگدانه سفید۶ (PW6)، یا CI 77891 خوانده می‌شود. روتیل سنگ معدنی بعدی فراوان است که حدود ۹۸ درصد آن را دی‌اکسید تیتانیوم تشکیل داده است. فازهای شبه پایدار آناتاز و بروکیت بر اثر حرارت بالا با درجه حرارت در محدوده ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد (۱۱۱۲ تا ۱۴۷۲ درجه فارنهایت). دی‌اکسید تیتانیوم دارای هشت حالت اکسایش است از جمله: روتیل، آناتاز و بروکیت - سه فاز شبه پایدار که می‌توان به‌طور مصنوعی تولید شود (مونوکلینیک، تتراگونال و دستگاه بلوری تتراگونال) - و پنج شکل فشار بالا (ساختارهایی شبیه به دی‌اکسید سرب، OI، بادلییت قائم الزاویه، کتونیت (:en:Cotunnite) و فازهای مکعبی) که در جدول پایین صفحه دسته‌بندی شده موجود است. Dubrovinsky و جمعی از نویسندگان ادعا شده است که سخت‌ترین اکسید شناخته شده با سختی ویکرز ۳۸ گیگا پاسکال و مدول حجمی ۴۳۱ گیگا پاسکال (یعنی نزدیک به مدول حجمی الماس ۴۴۶ گیگا پاسکال) در فشار هوا است. اما بررسی‌های بعدی به نتایج متفاوتی با مقادیر بسیار پایین‌تر برای هر دو سختیِ ویکرز (۷ تا ۲۰ گیگا پاسکال، که نرم‌تر از اکسیدهای رایج مانند Al2O3 مورد استفاده در سنگ سنباده و TiO2 روتیل است) و مدول حجمی (تقریباً ۳۰۰ گیگا پاسکال) منجر شد. این فلز همچنین می‌تواند از مواد معدنی دیگر مانند ایلمنیت یا سنگ معدن لیوکاکسن (:en:Leucoxene) یا یکی از خالص‌ترین نوع آن، شن و ماسه روتیل ساحل، استخراج شود. یاقوت کبود و یاقوت سرخ درخشندگی خود را از ناخالصی‌های روتیلِ موجود در آن‌ها می‌گیرند. دی‌اکسید تیتانیوم (ب) به عنوان یک ماده کانی در سنگ‌های ماگمایی و رگه‌های گرمابی، و همچنین در دیواره پروسکایت یافت می‌شود. خطوط طیفی از اکسید تیتانیوم در ستاره کلاس M (رده‌بندی ستارگان) به صورت برجسته وجود دارند، که سرمای کافی به مولکول‌های این ماده شیمیایی اجازه تشکیل شدن می‌دهد. محصول جانبیِ آهن(II) سولفات تنها برای تولید شدن نمک تیتانیوم در محلول حل گردیده، متبلور و فیلتر می‌شود. فرایندهای مشابه بیشتری برای رسیدن به محصول دی‌اکسید تیتانیوم روی روتیل انجام می‌شود. روتیل مصنوعی و تفاله‌های (سرباره) تیتانیوم به ویژه برای تولید دی‌اکسید تیتانیوم ساخته می‌شوند. روتیل موجود در سنگ اولیه را نمی‌توان استخراج کرد از این رو ته‌نشین حاوی شن و ماسه روتیل می‌تواند استخراج شود و این به معنی کاهش دسترسی به سنگ معدن غلظت بالا است. در این فرایند، سنگ خام (حاوی حداقل ۷۰ درصد TiO2) با کربن خرد و با کلر اکسیده می‌شود برای به دست آمدن تتراکلرید تیتانیم؛ به عنوان مثال، کلر زنی در کربوگرمایی. این تتراکلرید تیتانیم تقطیر و مجدداً اکسیده می‌شود در شعله اکسیژن خالص یا پلاسما در دمای ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ کلوین برای نتیجه دادنِ دی‌اکسید تیتانیوم خالص در حالی که کلر نیز بازسازی می‌شود. کلرید آلومینیوم اغلب به عنوان یک پروموتورِ روتیل به فرایند اضافه می‌شود؛ این محصول در غیاب آن عمدتاً آناتاز است. مواد خام بهینه برای فرایند کلرید، به دلیل محتوای دی‌اکسید تیتانیوم بالای آن روتیل طبیعی است. در سنتز، آناتاز با ۱۰ M (غلظت) سدیم هیدروکسید مخلوط می‌شود و برای مدت ۷۲ ساعت با درجه حرارت ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد (۲۶۶ درجه فارنهایت) گرما می‌بیند. محصول واکنش با هیدروکلریک اسیدِ رقیق شسته و در ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد (۷۵۲ درجه فارنهایت) به مدت ۱۵ ساعت دیگر گرم می‌شود. عملکرد نانولوله کمّی است و لوله‌ها دارای قطر خارجی۱۰ تا ۲۰ نانومتر و قطر داخلی۵ تا ۸ نانومتر و طول ۱میکرون هستند. با درجه حرارت بالاتر واکنش (۱۷۰ درجه سانتی‌گراد) و حجم واکنش کمتر، نانوسیمِ مربوطه به دست می‌آید. | ## بخش 2: تیتانیوم دی‌اکسید | هنگامی که در یک محلول HF نیم درصد وزنی به مدت ۲۰ دقیقه آنودایز می‌شود، می‌توان آرایش‌های هم‌تراز خوب نانولوله تیتانیوم اکسید با قطر متوسط لوله ۶۰ نانومتر و طول ۲۵۰ نانومتر ساخته شود. بر اساس پراش پرتو X، نانولولهٔ رشد کرده از طریق آنادایزینگ بی‌شکل (آمورف) می‌باشد. فرایند آنادایزینگ با شرایط ۲۵ ولت در ۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲۰ ساعت انجام می‌شود، در دو سلول الکتروشیمیایی الکترود متشکل از یک صفحه تیتانیوم بسیار خالص و کاملاً تمیز به عنوان آند، یک صفحه مسی یا سیم پلاتینی به عنوان کاتد و الکترولیت مذکور. نمونه آماده شده در هوا و در ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد برای رسیدن به فاز آناتاز آنیل می‌شود. سپس این محصول برای حذف هسته کربن و تشکیل نانوکریستال TiO2 در ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد به مدت چندین ساعت در هوا گرم می‌شود. هنگامی که نانوالیاف‌های کربنِ کایرال (فعالیت نوری) به عنوان قالب استفاده می‌شود، الیاف‌های به دست آمدهٔ TiO2 کایرال هستند؛ به بیان دیگر، آن‌ها پاسخ‌های متفاوتی به چپ و راست نور پلاریزه به صورت مدوّر می‌دهند. چنین فعالیت بصری (نوری) برای مولکول‌ها و نانوساختارهای آلی معمول است ولی برای مولکول‌ها و نانوساختارهای غیر آلی چنین نیست. برای کاربردهای نوری مولکول‌ها و نانوساختارهای غیر آلی به دلیل پایداری مکانیکی و حرارتیِ آن‌ها بهتر هستند. کاربرد مهم‌ترین حوزه‌های کاربرد دی‌اکسید تیتانیوم رنگ، لاک الکل (لعاب)، کاغذ و پلاستیک هستند، که حدود ۸۰ درصد از مصرف دی‌اکسید تیتانیوم جهان می‌باشد. دیگر کاربردهای رنگدانه مانند چاپ پارچه، الیاف، لاستیک، محصولات آرایشی و بهداشتی و مواد غذایی ۸ درصد می‌باشند. بقیه موارد در کاربردهای دیگر استفاده می‌شود، به عنوان مثال تولید تیتانیوم خالص، شیشه و سرامیک‌های شیشه‌ای، سرامیک‌های الکتریکی، کاتالیزورها، هادی برق و واسطه‌های شیمیایی. رنگ‌دانه دی‌اکسید تیتانیوم به دلیل روشنایی زیاد و ضریب شکست بالای آن به‌طور گسترده به عنوان رنگدانه سفید استفاده می‌شود. حدود ۴٫۶ میلیون تن از TiO2 رنگدانه‌ای سالانه در سراسر جهان به صورت دستی استفاده می‌شود و این عدد به دلیل استفاده بیشتر رو به افزایش است. زمانی که به عنوان یک فیلم نازک رسوب می‌کند، ضریب شکست و رنگ آن، آن را برای آینه‌های دی الکتریک و برخی از سنگ‌های قیمتی مانند زبرجد هندی (توپاز) پوشش انعکاس نوریِ بسیار عالی می‌کند. همچنین TiO2 یک کدرکننده مؤثر به صورت پودر است که به عنوان رنگ‌دانه برای ایجاد سفیدی و تنظیم شفافیت استفاده می‌شود در محصولاتی چون رنگ نقاشی، لایه پوششی، پلاستیک، کاغذ، مرکب، خوراک، پزشکی (مثلاً در قرص‌ها) و خمیردندان. در رنگ نقاشی، اغلب به صورت «کامل سفید»، «سفیدترین سفید»، یا دیگر عبارات مشابه به آن اشاره می‌شود. برخی از رنگدانه‌های تیتانیومی که در رنگ درخشنده، پلاستیک، لوازم آرایشی و بهداشتی رنگین‌تابی (مرواریدگون) استفاده می‌شوند، ساخته دست انسان هستند که اجزای آن شامل دو یا چند لایه از اکسیدهای مختلف مانند تیتانیوم دی‌اکسید، اکسید آهن و آلومینیوم اکسید می‌باشند برای داشتن درخشش و رنگین‌تابی چون محصولات میکا و گوانین. علاوه بر این اثرات، تغییر رنگ محدود در فرمولاسیون خاص امکان‌پذیر است بسته به اینکه محصول نهایی چگونه و در چه زاویه‌ای درخشندگی داشته باشد و بسته به ضخامت لایه اکسید در ذرات رنگدانه؛ یک یا چند رنگ با انعکاس پدیدار می‌شود در حالی دیگر رنگ‌های انعکاسی به علت تداخل لایه‌های دی‌اکسید تیتانیوم شفاف می‌باشند. در برخی از محصولات، لایه دی‌اکسید تیتانیوم همراه با اکسید آهن در دمای حدود ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد رشد می‌کند با آهکی‌کردنِ نمک‌های تیتانیوم (سولفات‌ها، کلرات‌ها) یا دیگر روش‌های رسوب صنعتی از قبیل انباشت به روش تبخیر شیمیایی بر روی بسترهایی مانند پلاکت میکا یا حتی پلاکت‌های کریستالی سیلیسیم دی‌اکسید که قطرشان بیش از ۵۰ میکرون نیست. اثر رنگین کمانی در ذرات اکسید تیتانیوم (که فقط تا حدی طبیعی هستند) بر خلاف اثر کدری که همراه با رنگ‌دانه اکسید تیتانیوم زمینی به دست آمده، توسط استخراج از معادن به دست آمده است، که در این صورت تنها قطر خاصی از ذرات در نظر گرفته می‌شود و اثر آن تنها به خاطر پراکندگی است. در لعاب‌ها دی‌اکسید تیتانیوم نقش یک کدرکننده را ایفا می‌کند و پایه تشکیل بلور می‌شود. دی‌اکسید تیتانیوم به صورت آماری نشان می‌دهد که سفیدی شیر خشک را افزایش می‌دهد که باعث افزایش پذیرش حسی شیر خشک است. | ## بخش 3: تیتانیوم دی‌اکسید | دی‌اکسید تیتانیوم برای علامت گذاری خطوط سفید در برخی از زمین‌های تنیس استفاده می‌شود. کرم‌های ضدآفتاب و رنگ‌دانه‌های ضد اشعه ماوراء بنفش در صنعت در محصولات لوازم آرایشی و مراقبت از پوست، دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان یک رنگدانه، کرم ضدآفتاب و قوام دهنده (غلیظ کننده) استفاده می‌شود. دی‌اکسید تیتانیوم است در اندازه‌های مختلف ذرات تولید می‌شود، قابل پخش در روغن و آب، و در درجه‌های خاصی برای صنعت لوازم آرایشی. دی‌اکسید تیتانیوم در اکثر کرم‌های ضدآفتابِ فیزیکی به علت شاخص شکست و انعکاسِ بالا، قابلیت جذب نور اشعه ماوراء بنفش (UV) و مقاومت آن در برابر تغییر رنگ تحت نور فرابنفش، یافت می‌شود. این مزیت باعث افزایش ثبات و توانایی محافظت از پوست در برابر نور ماوراء بنفش آن است. ذرات دی‌اکسید تیتانیوم نانو (اندازه ذرات ۳۰ تا ۴۰ نانومتر) در ابتدا در مایع لوسیون ضدآفتاب استفاده می‌شد زیرا نور مرئی را کمتر از رنگدانه دی‌اکسید تیتانیوم پراکنده می‌کند در حالی که همچنان در برابر اشعه فرابنفش محفاظت دارد. کرم‌های ضدآفتابی که برای نوزادان یا افراد با پوست حساس طراحی می‌شوند اغلب بر پایه دی‌اکسید تیتانیوم یا اکسید روی است به دلیل اینکه به نظر می‌آید این ضد اشعه فرابنفش‌های معدنی حساسیت و سوزش کمتری نسبت به جاذب‌های اشعه فرابنفش شیمیایی ایجاد می‌کنند. این رنگدانه به‌طور گسترده در پلاستیک‌ها و کاربردهای دیگر استفاده می‌شود نه تنها به عنوان رنگدانه سفید یا کدرکننده بلکه برای ویژگی‌های ضد UV آن که بر خلاف جاذب‌های اصلی UV، به صورت پودر نور را متفرق می‌کند و اثرات مخرب UV را کاهش می‌دهد بیشتر به دلیل ضریب شکست و انعکاسِ بالای ذرات آن. پلیمرهای خاصی که برای پوشش و تقویت و اشباع بتن استفاده می‌شوند، بعضاً با رنگ‌دانه سفید تیتانیوم برای محافظت در برابر اشعه فرابنفش در کارخانه‌های مواد ساختمانی پر می‌شوند، اما تنها اکسیداتیوِ نوریِ پلیمر را به تأخیر می‌اندازد؛ به آن «گچ» گفته می‌شود به دلیل اینکه به صورت تیکه تیکه و خمیری روی سطح مالیده می‌شود. این حالت گچ به دلیل این است که مقاومت به ضربه پایین دارد و ممکن است پس از سال‌ها قرار داشتن در برابر نور مستقیم آفتاب چنانچه تثبیت‌کننده‌های اشعه فرابنفش نداشته باشد، فرو بریزد. فتوکاتالیست دی‌اکسید تیتانیوم، به خصوص در فرم آناتاز، یک فتوکاتالیست تحت نور ماوراء بنفش (UV) است. گزارش شده است که دی‌اکسید تیتانیوم، زمانی که با یون‌های نیتروژن یا با اکسید فلزی مانند تری‌اکسید تنگستن تقویت می‌شود، یک فتوکاتالیست است هم در نور مرئی و هم تحت نور فرابنفش. پتانسیل اکسایشی (اکسایش-کاهش) قویِ حفره الکترونیِ مثبت آب را برای ایجاد رادیکال هیدروکسیل اکسیده می‌کند. از این رو، علاوه بر استفاده از آن به عنوان رنگدانه، دی‌اکسید تیتانیوم را می‌توان به رنگ، سیمان، پنجره‌ها، کاشی، یا سایر محصولات برای استریل کردن، بو و خواص ضد رسوب آن اضافه کرد و به عنوان یک کاتالیزور هیدرولیز (فروکافت آبکافت) استفاده می‌شود. همچنین در سلول‌های خورشیدی رنگ‌حساس نیز استفاده می‌شود که نوعی سلول خورشیدی شیمیایی (همچنین شناخته شده با نام دیگر سلول Graetzel) است. دی‌اکسید تیتانیوم در فیلم‌های نازک (:en:Thin film) و به شکل نانوذره پتانسیل استفاده در تولید انرژی دارد: در نقش یک فتوکاتالیست، می‌تواند آبکافت انجام دهد؛ یعنی شکستن ترکیب آب به هیدروژن و اکسیژن. بازده و ماندگاری بیشتر با ایجاد بی نظمی در ساختار شبکه لایه سطحیِ نانوبلورهای دی‌اکسید تیتانیوم به دست آمده است که اجازه جذب اشعه مادون قرمز را می‌دهد. TiO2 ی که در مصالح ساختمانی در فضای باز دخیل است، مانند سنگ‌های صاف‌کننده در بلوک‌های مشت‌زن (:en:Noxer block) یا رنگ‌ها، می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای تمرکز گازهای متخلخلِ ناشی از هوا را کاهش دهد؛ گازهایی نظیر اکسید نیتروژن و ترکیبات آلی فرار. تلاش‌های برای معدنی کردن آلاینده‌ها به‌طور فوتوکاتالیستی در آب فاضلاب (تبدیل کردن به CO2 و H2O) در آب و فاضلاب انجام شده است. فتوکاتالیست ارزان، در دسترس، غیر سمی، دارای حالت پایدار شیمیایی و مکانیکی و دارای گردش مالی بالاست. از تشکیل محصولات میانی برگشت‌پذیر فوتوکاتالیست، بر خلاف روش نورکافت مستقیم، اجتناب می‌شود. TiO2 می‌تواند به عنوان لایه‌های مناسب نازک بر روی بسترهای رآکتور پشتیبانی شود که می‌تواند به آسانی از آب تصفیه شده جدا شود. | ## جمع‌بندی | تحقیقات دربارهٔ نانومواد خوراکی تحقیقات اولیه از ۲۰۲۱، درحال یافتن نتایجی بر سمی بودن تیتانیوم دی‌اکسید به ویژه در یاخته‌ها و عملکرد لوله گوارش است که در مصرف طولانی مدت آن، احتمال بروز و پیش‌روی امراضی چون بیماری التهابی روده و سرطان روده بزرگ می‌شود.