نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ،که همچنین به آن دی اکسید تیتانیوم فوق العاده یا تیتانیوم دی اکسید نانوکریستالی یا دی اکسید تیتانیوم میکرو کریستالی نیز گفته میشود ، ذراتی از دی اکسید تیتانیوم (TiO ) که قطری کمتر از 100 نانومتر دارند، هستند . تیتانیوم دی اکسید فوق العاده به دلیل توانایی جلوگیری از اشعه ماوراء بنفش و بی رنگ بودن ، در ضد آفتاب ها بر روی پوست استفاده می شود. این تیتانیوم دی اکسید در ساختار کریستالی روتیل میباشد و از سیلیس هم زمان با یا بدون آلومینا پوشیده شده است تا از پدیده های فوتوکاتالیستی جلوگیری کند. خطرات سلامتی تیتانیوم دی اکسید فوق العاده در مرود قرار گرفتن بر روی پوست سالم، بسیار کم در نظر گرفته شده است ، و نسبت به سایر موادی که برای محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش استفاده می شود ، ایمن تر به حساب می آید.
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ت به دلیل پایین تر بودن انرژی سطحی در فاز شبه پایدار آناتاز نسبت به تعادل روتیل فاز تمایل به تشکیل این فاز دارند . سطوح دی اکسید تیتانیوم فوق العاده در ساختار آناتاز دارای خاصیت ضدعفونی کننده فوتوکاتالیستی است که باعث می شود به عنوان یک ماده افزودنی در مصالح ساختمانی مثلاً در پوشش های ضد بخار و پنجره های خود تمیز کننده مفید باشد.
در زمینه کارگران تولید TiO ، قرار گرفتن در معرض استنشاق به طور بالقوه خطر ابتلا به سرطان ریه را تشدید می دهد ، و استاندارد خطر برای نانومواد برای نانوذرات TiO مرتبط است.
از سه پلی مورف (اشکال کریستال) معمول TiO ، نانوذرات TiO در حالت روتیل و آناتاز میباشند. بر خلاف ذرات بزرگتر TiO ، نانوذرات TiO به جای رنگ سفید،شفاف هستند. خصوصیات جذب ماوراء بنفش (UV) به اندازه بلور دی اکسید تیتانیوم قابلیت جذب ذرات فوقالعاده در مورد اشعه ماوراء بنفش (نانومترUV-A (320-400 و (نانومتر UV-B (280-320 وابسته است . جذب نور در اشعه ماوراء بنفش به دلیل برانگیختگی پیوند های سخت انجام می شود . عملکرد موج در برانگیختی دارای ماهیت دو بعدی است و در مجموعه صفحات کریستالی {001} گسترش می یابد.
نانوذرات TiO خاصیت فوتوکاتالیستی دارند یعنی نوعی نیمه هادی هستند که باند رسانش گسترده تر از بسیاری از مواد دیگر دارند. خاصیت فوتوکاتالیستی TiO وابستگی پیچیده ای به ویژگی های فیزیکی ذراتدارد. نا خالص سازی(دوپینگ) TiO با اتمهای خاصی فعالیت فوتوکاتالیستی آن را افزایش میدهد.
در مقابل، رنگدانه درجه TiO معمولا اندازه ذرات متوسط در حد 200-300 نانومتر دارد. از آنجا که پودرهای TiO حاوی طیف وسیعی از اندازه هستند ، ممکن است کسری از ذرات نانو را داشته باشند حتی اگر اندازه ذرات متوسط بیشتر باشد. در عوض ذرات فوقا العاده معمولاً یکجا جمع میشوند(اگلوموره میشوند) و اندازه ذرات می تواند بسیار بزرگتر از اندازه بلور باشد.
بیشترین تولید نانو دی اکسید تیتانیوم با فرآیند سولفات ، فرآیند کلراید یا فرآیند سل-ژل میباشد. در فرآیند سولفات ، آناتاز یا روتیل TiO با تجزیه ایلمنیت (FeTiO ) یا سرباره تیتانیوم با اسید سولفوریک تولید میشود. فرم آناتاز فوق العاده از رسوب در محلول سولفات و روتیل فوق العاده از رسوب در محلول کلرید تهیه میشود.
در فرآیند کلراید ، روتیل طبیعی یا مصنوعی در دمای 850-1000 درجه سانتی گراد کلریده (ترکیب شامل تیتانیوم وکلر) می شود ، و تتراکلرید تیتانیوم با اکسیداسیون فاز بخار به فرم آناتاز فوق العاده تبدیل می شود.
با استفاده از سنگ زنی تبدیل رنگدانه های TiO به TiO فوق العاده امکان پذیر نیست. دی اکسید تیتانیوم فوق العاده می تواند با انواع مختلفی از فرآیندهای مختلف به عنوان روش رسوب گذاری ، تبدیل فاز حالت گازی ، سل-ژل و روش لایه نشانی اتمی به دست آید.
TiO فوق العاده یکی از سه نانومواد فراگیر تولید شونده به همراه نانو ذرات دی اکسید سیلیکون و اکسید روی است. و دومین نانو ماده پر استفاده در محصولات مصرفی است که قبل از نانوذرات نقره قرار دارد . به دلیل استفاده طولانی آن به عنوان یک ماده شیمیایی کالایی ، TiO می توان یک "نانو ماده قدیمی" در نظر گرفت.
TiO فوق العاده به دلیل توانایی جلوگیری از اشعه UV شفافیت روی پوست در ضد آفتاب ها استفاده می شود. TiO مورد استفاده در کرمهای ضد آفتاب به طور معمول اندازه در محدوده 5-50 نانومتر دارند.
TiO فوق العاده در مسکن و ساخت و ساز به عنوان افزودنی برای رنگ ها ، پلاستیک ها ، سیمان ها ، پنجره ها ، کاشی ها و سایر محصولات به دلیل خاصیت جذب UV و استریل کننده فوتوکاتالیستی آن ، به عنوان مثال در پوشش های ضد بخار و پنجره های خود تمیزشونده استفاده میشوند. نانوذرات TiO همچنین در ال‌ئی‌دی و سلولهای خورشیدی استفاده می شوند. علاوه بر این از خاصیت فوتوکاتالیستی TiO می توان برای تجزیه ترکیبات آلی و ارگانیک موجود در فاضلاب استفاده کرد. محصولات نانو ذره TiO گاهی اوقات با پوشش سیلیکا یا اکسید آلومینیوم و یا دیگر فلزات برای کاربردهای خاص میباشند.
برای کرم های ضد آفتاب ، خطر سلامتی ناشی از قرار گرفتن در معرض پوست قرار گرفتن بسیار کم در نظر گرفته شده است و از خطر آسیب اشعه ماوراء بنفش از جمله سرطان در عدم پاستفاده از ضد آفتاب بر حذر می دارد. نانوذرات TiO نسبت به سایر موادی که برای محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش مورد استفاده قرار می گیرند ایمن تر هستند . با این وجود ، نگرانی در مورد ساییدگی پوست یا بثورات پوستی ، یا خوردن تصادفی مقادیر کمی از ضد آفتاب ، احتمال خیلی کمی دارد. لوازم آرایشی و بهداشتی حاوی نانومواد لازم نیست که برای در ایالات متحده برچسب بخورند، اما برچسب خوردن آنها در اتحادیه اروپا الزامی می باشد.
استنشاق شایع ترین راه قرار گرفتن در معرض ذرات موجود در هوا در محل کار است. انستیتوی ملی ایمنی و بهداشت شغلی ایالات متحده ، TiO فوق العاده استنشاق شده را به عنوان یک سرطان ریه احتمالی نام برده و با آزمایش بر روی موش ها، با حد مجاز توصیه شده 0.3mg/m برای تا 10 ساعت کار در روز و در طول یک هفته 40 ساعت کار اعلام کرده است.
کرم های ضد آفتاب حاوی نانوذرات TiO می توانند بر روی بدن با آب معمولی شسته شوند و در هنگام دوش گرفتن افراد می توانند به فاضلاب وارد شوند. مطالعات نشان داده اند که نانوذرات TiO می تواند به جلبک ها و حیوانات آسیب برساند و می تواند باعث زیست انباشتگی شوند. آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده به طور کلی خواص فیزیکی مانند اندازه ذرات را در طبقه بندی مواد در نظر نمی گیرد و نانوذرات TiO به شور یکسان با سایر اشکال و اندازه های TiO در نظر میگیرد .
دی اکسید تیتانیوم برای گیاهان و موجودات کوچک مانند کرم ها ، نماتدها و حشرات، سمی است. سمی بودن نانوذرات TiO برای نماتدها با قطر کوچکتر نانوذرات به طور خاص 7 نانوذرات نانومتر نسبت به 45 نانو ذرات نانومتر رابطه مستقیم دارد، اما رشد و تولید مثل با صرف نظر از اندازه نانو TiO تحت تاثیر میباشد. انتشار دی اکسید تیتانیوم به داخل خاک به دلیل جلوگیری از تکثیر و بقای بی مهرگان خاک می تواند تأثیر مضر بر روی اکوسیستم داشته باشد. این بی مهرگان مسئول تجزیه مواد آلی و پیشرفت چرخه مواد مغذی در اکوسیستم اطراف هستند. بدون حضور این موجودات ، ترکیب خاک دچار مشکل میشود.
ISO / TS 11937 یک استاندارد اندازه گیری برای اندازه گیری چندین ویژگی پودر دی اکسید تیتانیوم خشک مربوط به فناوری نانو است: ساختار کریستالی و نسبت آناتاز به روتیل را می توان با استفاده از پراش پرتو X ، اندازه ذرات متوسط و کریستالی اندازه گیری شده با استفاده از پراش اشعه ایکس یا میکروسکوپ الکترونی عبوری، و سطح ویژه با استفاده از روش جذب گاز Brunauer-Emmet-Teller برای ارزیابی در معرق قرار گرفتن محل کار ، روش NIOSH 0600 برای اندازه گیری غلظت جرمی ذرات ریز می تواند برای نانوذرات با استفاده از یک نمونه انتخابی اندازه ذره مناسب مورد استفاده قرار گیرد و اگر توزیع اندازه مشخص باشد ، می توان سطوح اندازه گیری را به جرم تعمیم داد. روش NIOSH 7300 TiO در از سایر ذرات معلق در هوا توسط آنالیز عنصری متمایز شود که با استفاده طیف سنجی پلاسما نشر اتمی مشخص میگردد. روشهای میکروسکوپ الکترونی که مجهز به طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس هستند می توانند ترکیب و اندازه ذرات را مشخص کنند.
NIST SRM 1898 یک ماده مرجع است که از پودر خشک نانوکریستال تیتانیوم دی اکسید تشکیل شده است . این به عنوان یک معیار در مطالعات محیطی یا سم شناسی ، و برای ابزارهای کالیبراسیون که سطح ویژه نانومواد را با استفاده از روش Brunauer-Emmet-Teller اندازه گیری می کنند،در نظر گرفته شده است.