Pochi composti sono importanti per l'industria e la medicina oggi come il biossido di titanio. Nonostante la varietà e la popolarità delle sue applicazioni, molti problemi relativi alla struttura superficiale dei materiali realizzati con questo composto e ai processi che vi avvengono rimangono poco chiari. Alcuni di questi segreti sono stati appena rivelati agli scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze. Era la prima volta che usavano il sincrotrone SOLARIS nelle loro ricerche.

Si trova in molte reazioni chimiche come catalizzatore, come pigmento nelle materie plastiche, vernici o cosmetici e negli impianti medici ne garantisce l'elevata biocompatibilità. Biossido di titanio (TiO ₂ ) è oggi praticamente onnipresente, il che non significa che tutte le sue proprietà siano già note all'umanità. Un gruppo di scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia, guidato dal dottor Jakub Szlachetko, lavorando sul sincrotrone Solaris, è riuscita a far luce sui dettagli dei processi di ossidazione degli strati esterni dei campioni di titanio e sui relativi cambiamenti nella struttura elettronica del materiale. La ricerca sul biossido di titanio ha inaugurato la presenza degli scienziati IFJ PAN nei programmi di ricerca effettuati sul sincrotrone SOLARIS. Il dispositivo, operante come parte del Centro Nazionale Radiazioni di Sincrotrone, si trova a Cracovia nel campus del 600° anniversario dell'Università Jagellonica.

La radiazione di sincrotrone fu scoperta nel 1947, quando la General Electric ha lanciato un acceleratore che ha curvato il percorso degli elettroni accelerati con l'uso di magneti. Le particelle inizierebbero quindi a emettere luce in modo casuale, quindi hanno perso energia, mentre avrebbero dovuto ottenerla! La radiazione di sincrotrone è stata quindi considerata un effetto indesiderato. Solo grazie a generazioni successive di sorgenti di radiazione di sincrotrone sono stati raggiunti fasci di luce con intensità più elevate e una migliore qualità della luce emessa, compresa l'elevata ripetibilità di impulsi con praticamente sempre le stesse caratteristiche.

Il sincrotrone SOLARIS, il più grande e moderno dispositivo di questo tipo nell'Europa centrale, si compone di due parti principali. Il primo è un acceleratore di elettroni lineare lungo 40 m. Le particelle guadagnano energie di 600 megaelettronvolt qui, dopo di che raggiungono la seconda parte dell'apparato, l'interno di un anello di accumulo con una circonferenza di 96 m, dove si curvano magneti, wiggler e ondulatori sono posti sul loro percorso. Questi sono insiemi di magneti orientati alternativamente, all'interno del quale la forma del percorso dell'elettrone inizia ad assomigliare a una sinusoide. È allora che gli elettroni "oscillanti" emettono radiazione di sincrotrone, diretto alle stazioni finali appropriate con apparecchiature di misurazione. Le onde elettromagnetiche prodotte da SOLARIS sono classificate come raggi X molli.

Le caratteristiche uniche della radiazione di sincrotrone hanno molte applicazioni:aiutano nello sviluppo di nuovi materiali, tracciare il corso delle reazioni chimiche e permettere di condurre esperimenti utili allo sviluppo delle nanotecnologie, microbiologia, medicinale, farmacologia e molti altri campi della scienza e della tecnologia.

"La ricerca sul sincrotrone SOLARIS apre possibilità completamente nuove, quindi non c'è da meravigliarsi che molti gruppi di ricerca dalla Polonia e da tutto il mondo facciano domanda per il beamtime qui. Sebbene il nostro Istituto, proprio come il sincrotrone SOLARIS, si trovi a Cracovia, come tutti abbiamo gareggiato in termini di qualità della ricerca per il beamtime presso la stazione di misura appropriata, " dice il prof. Wojciech M. Kwiatek, capo della Divisione di Ricerca Interdisciplinare presso l'IFJ PAN e Presidente della Società Polacca delle Radiazioni di Sincrotrone. Il prof. Kwiatek osserva che in un'era di restrizioni ai viaggi causate dallo sviluppo della pandemia, la possibilità di condurre esami fisici avanzati praticamente sul posto è un enorme vantaggio.

I ricercatori dell'IFJ PAN hanno condotto le loro ultime misurazioni, cofinanziato dal Centro nazionale delle scienze polacco, presso la stazione sperimentale XAS. Registra come i raggi X vengono assorbiti dagli strati superficiali di campioni di titanio precedentemente prodotti presso l'Istituto in condizioni attentamente controllate.

"Ci siamo concentrati sulle osservazioni dei cambiamenti nella struttura elettronica degli strati superficiali dei campioni in funzione delle variazioni di temperatura e dell'andamento del processo di ossidazione. A questo scopo, abbiamo riscaldato i dischi di titanio a diverse temperature e atmosfere ambientali. Dopo essere stato trasportato alla stazione sperimentale di sincrotrone, i campioni sono stati illuminati con radiazione di sincrotrone, cioè i raggi X. Poiché le proprietà della radiazione di sincrotrone sono ben note, siamo stati in grado di usarlo per determinare con precisione la struttura degli stati elettronici non occupati degli atomi di titanio e su questa base trarre conclusioni sui cambiamenti nella struttura del materiale, " dice la dottoranda Klaudia Wojtaszek (IFJ PAN), il primo autore dell'articolo pubblicato su Giornale di chimica fisica A.

Il biossido di titanio si presenta in tre forme polimorfe, caratterizzato da diverse strutture cristallografiche. Il più popolare è il rutilo, un minerale comune in molte rocce (le altre varietà sono anatasio e brookite). La ricerca sul sincrotrone SOLARIS ha permesso ai fisici di Cracovia di ricreare con precisione il processo di formazione della fase rutilica. Si è scoperto che si forma a temperature più basse di quanto si pensasse in precedenza.

"La nostra ricerca fornisce conoscenze fondamentali sulla struttura del materiale. Tuttavia, questa struttura è strettamente correlata alle proprietà fisico-chimiche della superficie del biossido di titanio. potenzialmente, i nostri risultati possono quindi essere utilizzati, Per esempio, per ottimizzare le caratteristiche superficiali degli impianti medici, " conclude la Dott.ssa Anna Wach, responsabile della conduzione dell'esperimento al sincrotrone SOLARIS.