Zasada superhydrofilowych powierzchni TiO2
Zwykle powierzchnia pokryta TiO2 ma szeroki kąt zwilżania z wodą, ale kąt zwilżania wody zmniejsza się do mniej niż 5 stopni po napromieniowaniu UV i może osiągnąć nawet 0 stopni (tzn. krople wody są całkowicie rozproszone na powierzchnia Tio2), wykazująca bardzo silną hydrofilowość. Po ustaniu ekspozycji na światło superhydrofilowość powierzchni utrzymuje się od kilku godzin do tygodnia, po czym powoli powraca do stanu hydrofobowego sprzed naświetlania. Dalsze napromieniowanie światłem ultrafioletowym może być superhydrofilowe, a przerywane napromieniowanie światłem ultrafioletowym może sprawić, że powierzchnia zawsze utrzyma stan superhydrofilowy.
Pierwotnie uważano, że superhydrofilowość powierzchni TiO2 pochodzi z fotokatalitycznego rozkładu cząsteczek organicznych zaadsorbowanych na powierzchni: podczas gdy sama powierzchnia TiO2 jest hydrofilowa z powodu chemisorpcji wody, adsorpcja materii organicznej w powietrzu sprawia, że powierzchnia hydrofobowy. Po napromieniowaniu światłem UV powierzchnia generuje silnie utleniające aktywne grupy hydroksylowe, a hydrofobowa materia organiczna jest utleniana i rozkładana przez dodatnie grupy hydroksylowe w reakcji rozkładu fotokatalitycznego, dzięki czemu powierzchnia zachowuje się w stanie hydrofilowym; po zatrzymaniu światła materia organiczna będzie stopniowo adsorbowana na powierzchni TiO2 i powróci do stanu hydrofobowego. Niemniej jednak wykazano, że superhydrofilowość powierzchni TiO2 różni się od fotokatalitycznego utleniania i rozkładu TiO2, a raczej jest to inny rodzaj reakcji indukowanej przez światło na samej powierzchni TiO2. Z następujących powodów: ① Superhydrofilowość powierzchni TiO2 nie jest związana z wydajnością fotorozkładu materii organicznej. Zaobserwowano to w niektórych monokryształach lub polikryształach TiO2 bez aktywności fotokatalitycznej lub z bardzo niską aktywnością fotokatalityczną; ② Domieszkowanie niektórymi jonami metali (np. miedzią) może poprawić fotokatalityczną reakcję utleniania TiO2, jednocześnie zmniejszając superhydrofilowe właściwości powierzchni TiO2; ③ W odróżnieniu od porowatej powierzchni TiO2 i największego możliwego obszaru reakcji wymaganego do fotokatalitycznej reakcji utleniania, gładka i gęsta powierzchnia bardziej sprzyja jego właściwościom superhydrofilowym. W normalnych warunkach ciała oleiste, takie jak heksadekan glikolu etylenowego i trioleinian glicerolu, mają duży kąt zwilżania z powierzchnią TiO2. Jednak po napromieniowaniu UV ciecze te będą również całkowicie infiltrowane w powierzchnię powłoki szklanej, to znaczy po napromieniowaniu UV powierzchni TiO2 o aktywności amfifilowej woda-olej.
Uważa się, że superhydrofilowość powierzchni TiO2 w warunkach świetlnych jest utrwalana przez zmiany struktury powierzchni: pod wpływem promieniowania UV elektrony z pasma walencyjnego TiO2 są wzbudzane do pasma przewodnictwa, elektrony i dziury migrują do powierzchni TiO2, generując elektrony -pary dziur na powierzchni, elektrony reagują z Ti4 plus, dziury reagują z powierzchniowymi jonami tlenu, które tworzą odpowiednio dodatnie trójwartościowe jony tytanu i luki tlenowe. W tym przypadku woda w powietrzu jest dysocjowana i adsorbowana w próżni tlenowej, tworząc chemisorbowaną powierzchnię (powierzchniowa grupa hydroksylowa). Ta powierzchnia chemisorpcyjna może dodatkowo adsorbować wodę w powietrzu i tworzyć fizyczną warstwę adsorpcyjną, tj. wokół defektu Ti3 plus tworzy się wysoce hydrofilowa strefa emblematu, podczas gdy pozostały obszar powierzchni pozostaje hydrofobowy, tworząc w ten sposób równomiernie strefową oddzieloną nanowymiarową strefę hydrofilowa i oleofilowa strefa emblematu na powierzchni TiO2, podobna do dwuwymiarowego zjawiska kapilarnego. Ponieważ rozmiar kropel wody lub oleju jest znacznie większy niż obszar hydrofilowy lub oleofilowy, makroskopowa powierzchnia TiO2 wykazuje właściwości hydrofilowe i oleofilowe. Kropelki wody lub oleju są adsorbowane odpowiednio przez hydrofilowy mikroregion lub lipofilowy region emblematyczny, infiltrując w ten sposób powierzchnię. Kiedy promieniowanie UV zostaje zatrzymane, chemisorbowane grupy hydroksylowe są zastępowane tlenem z powietrza i powracają do stanu hydrofobowego.
