העיקרון של משטחי TiO2 Superhydrophilic
בדרך כלל, למשטח המצופה TiO2 יש זווית מגע רחבה עם מים, אך זווית המגע של מים מצטמצמת לפחות מ-5 מעלות לאחר קרינת UV, ויכולה להגיע אפילו ל-0 מעלות (כלומר, טיפות מים מתפזרות לחלוטין על משטח Tio2), מראה הידרופיליות חזקה מאוד. לאחר הפסקת החשיפה לאור, הסופר-הידרופיליות של פני השטח נשמרת למשך מספר שעות עד שבוע, ולאחר מכן חוזרת לאט לאט למצב ההידרופובי לפני ההקרנה. קרינה נוספת עם אור אולטרה סגול יכולה להיות סופרהידרופילי, והקרנת אור אולטרה סגול לסירוגין יכולה לגרום למשטח לשמור תמיד על המצב הסופרהידרופילי.
במקור חושבים שהסופרהידרופיליות של משטח ה-TiO2 מקורה בפירוק פוטו-קטליטי של מולקולות אורגניות הנספגות על פני השטח: בעוד שפני השטח של TiO2 עצמו הידרופיליים בגלל הספיגה הכימית של מים, ספיחת החומר האורגני באוויר עושה את פני השטח. הידרופובי. כאשר מוקרנים באור UV, פני השטח מייצרים קבוצות הידרוקסיל פעילות מחמצנות חזקות, והחומר האורגני ההידרופובי מתחמצן ומתפרק על ידי קבוצות ההידרוקסיל החיוביות באמצעות תגובת הפירוק הפוטו-קטליטית, ובכך גורם למשטח להתנהג במצב הידרופילי; כאשר האור נפסק, החומר האורגני ייספג בהדרגה על פני ה-TiO2 ויחזור למצב הידרופובי. עם זאת, הוכח שהסופרהידרופיליות של משטח TiO2 שונה מהחמצון הפוטוקטליטי והפירוק של TiO2, אלא שזוהי תגובה מסוג אחר המושרה על ידי אור על פני השטח TiO2 עצמו. מהסיבות הבאות: ① הסופרהידרופיליות של פני השטח TiO2 אינה קשורה ליעילות הפירוק הפוטו של חומר אורגני. זה נצפה בחלק מגבישים בודדים של TiO2 או פוליגריסטלים ללא פעילות פוטו-קטליטית או פעילות פוטו-קטליטית נמוכה מאוד; ② סימום של יוני מתכת מסוימים (למשל נחושת) יכול לשפר את תגובת החמצון הפוטו-קטליטית של TiO2, תוך הפחתת התכונה הסופרהידרופלית של פני השטח TiO2; ③ שונה ממשטח ה-TiO2 הנקבובי ומאזור התגובה הגדול ביותר האפשרי הנדרש לתגובת חמצון פוטו-קטליטית, משטח חלק וצפוף תורם יותר לתכונה הסופר-הידרופילית שלו. בתנאים רגילים, לגופים שמנים כמו אתילן גליקול הקסדקן וגליצריל טריולאט יש זווית מגע גדולה עם פני השטח TiO2. עם זאת, לאחר קרינת UV, גם נוזלים אלו יוחדרו לחלוטין למשטח ציפוי הזכוכית, כלומר לאחר קרינת UV משטח TiO2 עם פעילות אמפיפילית של מים-שמן.
מאמינים שהסופר-הידרופיליות של משטח TiO2 בתנאי אור מתמצקת על ידי השינויים במבנה פני השטח שלו: בתנאי קרינת UV, אלקטרונים של פס הערכיות TiO2 נרגשים לפס ההולכה, אלקטרונים וחורים נודדים אל פני השטח TiO2, ויוצרים אלקטרונים -זוגות חורים על פני השטח, אלקטרונים מגיבים עם Ti4 פלוס, חורים מגיבים עם יוני חמצן על פני השטח, היוצרים יוני טיטניום משולש חיובי ומקומות פנויים חמצן בהתאמה. במקרה זה, המים באוויר מתפרקים ונספגים בחמצן הפנוי, ויוצרים משטח ספוג כימי (קבוצת הידרוקסיל פני השטח). משטח כימי-ספיגה זה יכול לספוח עוד יותר מים באוויר וליצור שכבת ספיחה פיזית, כלומר נוצר אזור סמל הידרופילי מאוד סביב הפגם Ti3 plus, בעוד שהשטח הנותר של פני השטח נשאר הידרופובי, ובכך מהווה אזור ננו בגודל אחיד מופרד. אזור סמל הידרופילי ואולאופילי על פני השטח TiO2, בדומה לתופעה נימית דו מימדית. מכיוון שגודלן של טיפות מים או שמן גדול בהרבה מהאזור ההידרופילי או האולאופילי, פני השטח המקרוסקופיים של TiO2 מציגים תכונות הידרופיליות ואולאופיליות. טיפות המים או השמן נספגות על ידי אזור המיקרו ההידרופילי או האזור הסמלי הליפופילי בהתאמה, ובכך חודרות אל פני השטח. כאשר הקרנת אור ה-UV מופסקת, קבוצות ההידרוקסיל הנספגות בכמיה מוחלפות בחמצן באוויר וחוזרות למצב הידרופובי.
