Američtí vědci pod vedením Jian Ku Shanga z University of Illinois publikovali se svými čínskými kolegy práci o katalyzátoru, který „pracuje“ s viditelným světlem. Podobné materiály, které po dopadu fotonů změní své vlastnosti a začnou zprostředkovávat nějaké chemické děje, jsou známy již delší dobu. Zatím se ale u nich  jednalo převážně o katalytický efekt navozený UV světlem. Nový materiál na spektrum UV světla odkázán není a to mu dává širokou možnost praktického uplatnění.

Zvětšit obrázek

Levá část obrázku: Elektrony vnikají do nanočástic. Pravá část obrázku: Když světlo zhasne, proces tvorby hydroxylových radikálů by měl ustat. Nanočástice palladia si ale stačily nastřádat elektrony, které ještě nějakou dobu uvolňují. Ty také reagují s molekulami vody za vzniku látek s oxidačním efektem. Lze tedy říci, že materiál s palladiem si „pamatuje, že byl osvícen“ a tato jeho paměť trvá zhruba 24 hodin. I když tvorba radikálů za tmy, ve srovnání s dobou pod světlem, není velká, jde o vlastnost k nezaplacení. Dovoluje totiž celodenní desinfekční proces bez jeho nočních výpadků. (Kredit: University of Illinoa)

Základem pro výrobu materiálu s novými vlastnostmi je obyčejný pigment do nátěrových hmot, opalovacích krémů. Že jde o látku prakticky neškodnou vyplývá i z toho, že se využívá dokonce jako potravinářské barvivo. Onou substancí je titanová běloba, nebo-li oxid titaničitý - TiO2 (v anglické literatuře se u této látky můžete setkat  dokonce se dvěma termíny: titanium oxide a titanium dioxide). 

Ve formě běloby nás tato látka tentokrát nezajímá. Jedinečnou vlastnost, jakou je ničení choroboplodných zárodků, získá oxid titaničitý až obohacením o dusík. Po nastřelení atomy dusíku (procesu se říká dopování), se u něj projeví fotokatalytické vlastnosti. Ty lze spouštět viditelným světlem. Pro praxi to například znamená, že chirurgické nástroje s takto upraveným povrchem, se na světle samy desinfikují. Nemusí přitom jít o světlo ze Slunce. Stačí k tomu běžné osvětlení místnosti.
 

Zvětšit obrázek

Povrch potažený nanokompozitním materiálem spustí desinfekci, jakmile na něj posvítíme. Patogeny zabíjí ještě den poté, co zhasneme. (Kredit: University of Illinoa)

Za nové vlastnosti vděčí tento materiál vysokému redox potenciálu. V excitovaném stavu oxiduje totiž vodu za vzniku hydroxylových radikálů. Shang tuto reakci popisuje následovně: „Jakmile viditelné světlo (foton) narazí do katalyzátoru, v jeho hmotě se vytvoří páry „elektron-díra. Mnohé z těchto excitovaných elektronů se vrátí na své místo, což snižuje účinnost katalytického procesu. Přidání palladia však tento parametr vylepší.“

Výroba takové materiálu probíhá následovně. Do oxidu titaničitého se přimíchají nanočástice palladia. Na směs se působí paprskem elektronů, dokud nedojde k jejímu odpařování. Nově vznikající struktura se bombarduje ionty atomu dusíku. Vznikne porézní materiál TiON/PdO (palladiem modifikovaný dusíkem dopovaný oxid titanu). Když na tuto látku charakteru polovodiče dopadne světlo, vytvoří z molekul vody hydroxylové (OH) radikály.

Nanočástice drahého kovu palladia v tomto systému zastávají funkci vychytávačů elektronů. V prostředí tak může vznikat vícero hydroxylových radikálů, čímž se zvyšuje desinfekční efekt. Nejde zde ale pouze o vznik hydroxylových radikálů z vody. Patogeny tento proces zabíjí i jinak a to přímou oxidací organických látek nacházejících se v roztoku.

Zvětšit obrázek

Jian Ku Shang pózuje se vzorkem svého nového fotokatalytického materiálu. (Kredit: University of Illinoa

Praktický pokus při němž se použila dávka 0,1 g/litr se fotokatalytický efekt sloučeniny projevil jak za světla, tak i za tmy. Ve tmě docházelo k vychytání virů z roztoku adsorpcí a za hodinu systém zničil  95,4-96,7% přítomných virů. Pokud se na látku posvítilo viditelným světlem (vlnovou délkou delší než 400nm, intenzitou 40mW na centimetr čtvereční) zničil přídavek této suspenze v roztoku za hodinu 94,5-98,2% virů. Pokud se zkombinovalo působení (hodinu za světla a hodinu za tmy) – adsorpce s fotokatalýzou likvidovaly 99,75 – 99,94% patogenů.

Novou látku čeká velká sláva i jinde. Předpokládá se zapracování nanokrystalů například do povrchové glazury obkládacích dlaždic. Jakmile se na ně posvítí, začnou fotokatalyticky čištit vzduch od zápachu a škodlivin (například od těkavých organických látek). Kromě zdravotnictví a potravinářství by měl vynález nalézt uplatnění i u běžných přístrojů v našich domácnostech. Oxidací lze totiž rozložit i tuky. Nově vyvinutá látka by po nanesení ve formě tenkých povlaků měla zvládat čistit zašpiněné povrchy obrazovek televizorů a počítačů. Na displejích mobilních telefonů a čočkách fotoaparátů by měly samy mizet mastné otisky prstů,…

Nejdříve se ale nová technologie zřejmě uplatní v úpravnách pitné vody. Na rozdíl od klasického chlorování při ní nevznikají škodlivé vedlejší sloučeniny s rakovinotvornými účinky. Snad se s novou úpravy vod šetrnější k životnímu prostředí i našemu zdraví, začneme brzo setkávat i u nás.

Pramen:  University of Illinois at Urbana-Champaign.,