Pocos compuestos son hoy tan importantes para la industria y la medicina como el dióxido de titanio. A pesar de la variedad y popularidad de sus aplicaciones, Muchos problemas relacionados con la estructura de la superficie de los materiales hechos de este compuesto y los procesos que tienen lugar en ellos siguen sin estar claros. Algunos de estos secretos acaban de ser revelados a científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia. Era la primera vez que usaban el sincrotrón SOLARIS en su investigación.

Se encuentra en muchas reacciones químicas como catalizador, como pigmento en plásticos, pinturas o cosméticos y en implantes médicos garantiza su alta biocompatibilidad. Dióxido de titanio (TiO ₂ ) es prácticamente omnipresente en la actualidad, lo que no significa que la humanidad ya conozca todas sus propiedades. Un grupo de científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (FIP PAN) en Cracovia, dirigido por el Dr. Jakub Szlachetko, trabajando en el sincrotrón Solaris, ha logrado arrojar algo de luz sobre los detalles de los procesos de oxidación de las capas externas de muestras de titanio y los cambios relacionados en la estructura electrónica del material. La investigación sobre dióxido de titanio inauguró la presencia de científicos del PAN de la FIP en los programas de investigación realizados sobre el sincrotrón SOLARIS. El dispositivo, operando como parte del Centro Nacional de Radiación Sincrotrón, está situado en Cracovia en el campus del 600 aniversario de la Universidad Jagellónica.

La radiación de sincrotrón se descubrió en 1947, cuando General Electric lanzó un acelerador que curvó el camino de los electrones acelerados con el uso de imanes. Las partículas comenzarían a emitir luz al azar, así que perdieron energía, ¡mientras que se suponía que debían ganarla! Por tanto, la radiación sincrotrón se consideró un efecto indeseable. Solo gracias a las sucesivas generaciones de fuentes de radiación de sincrotrón se lograron haces de luz con mayor intensidad y mejor calidad de luz emitida. incluyendo alta repetibilidad de pulsos con prácticamente siempre las mismas características.

El sincrotrón SOLARIS, el dispositivo más grande y moderno de este tipo en Europa Central, consta de dos partes principales. El primero es un acelerador de electrones lineal de 40 m de largo. Las partículas obtienen energías de 600 megaelectronvoltios aquí, después de lo cual llegan a la segunda parte del aparato:el interior de un anillo de acumulación con una circunferencia de 96 m, donde curvar imanes, meneadores y onduladores se interponen en su camino. Estos son conjuntos de imanes orientados alternativamente, dentro del cual la forma del camino del electrón comienza a parecerse a una sinusoide. Es entonces cuando los electrones "oscilantes" emiten radiación de sincrotrón, dirigido a las estaciones finales apropiadas con equipo de medición. Las ondas electromagnéticas producidas por SOLARIS se clasifican como rayos X suaves.

Las características únicas de la radiación de sincrotrón tienen muchas aplicaciones:ayudan en el desarrollo de nuevos materiales, rastrear el curso de las reacciones químicas y hacer posible realizar experimentos útiles para el desarrollo de la nanotecnología, microbiología, medicamento, farmacología y muchos otros campos de la ciencia y la tecnología.

"La investigación sobre el sincrotrón SOLARIS abre posibilidades completamente nuevas, por lo que no es de extrañar que muchos grupos de investigación de Polonia y de todo el mundo soliciten aquí el tiempo de haz. Aunque nuestro Instituto, al igual que el sincrotrón SOLARIS, está ubicado en Cracovia, como todos, competimos en términos de calidad de investigación para el tiempo de haz en la estación de medición adecuada, "dice el profesor Wojciech M. Kwiatek, jefe de la División de Investigación Interdisciplinaria de la FIP PAN y presidente de la Sociedad Polaca de Radiación Sincrotrón. El profesor Kwiatek señala que en una era de restricciones de viaje causadas por el desarrollo de la pandemia, la posibilidad de realizar exámenes físicos avanzados prácticamente en el lugar es una gran ventaja.

Investigadores del PAN de la FIP realizaron sus últimas mediciones, cofinanciado por el Centro Nacional de Ciencias de Polonia, en la estación experimental XAS. Registra cómo los rayos X son absorbidos por las capas superficiales de muestras de titanio previamente producidas en el Instituto bajo condiciones cuidadosamente controladas.

"Nos centramos en las observaciones de los cambios en la estructura electrónica de las capas superficiales de las muestras en función de los cambios de temperatura y el progreso del proceso de oxidación. Para ello, Calentamos discos de titanio a diferentes temperaturas y atmósferas ambientales. Después de ser transportado a la estación experimental del sincrotrón, las muestras se iluminaron con radiación de sincrotrón, es decir, radiografías. Dado que las propiedades de la radiación de sincrotrón son bien conocidas, pudimos usarlo para determinar con precisión la estructura de los estados electrónicos desocupados de los átomos de titanio y sobre esta base sacar conclusiones sobre los cambios en la estructura del material, "dice la estudiante de doctorado Klaudia Wojtaszek (IFJ PAN), el primer autor del artículo publicado en el Revista de química física A.

El dióxido de titanio se presenta en tres formas polimórficas, caracterizado por diferentes estructuras cristalográficas. El más popular es el rutilo, un mineral que es común en muchas rocas (las otras variedades son anatasa y brookita). La investigación sobre el sincrotrón SOLARIS permitió a los físicos de Cracovia recrear con precisión el proceso de formación de la fase rutilo. Resultó que se forma a temperaturas más bajas de lo que se pensaba.

"Nuestra investigación proporciona conocimientos fundamentales sobre la estructura del material. Sin embargo, esta estructura está estrechamente relacionada con las propiedades físico-químicas de la superficie del dióxido de titanio. Potencialmente, por tanto, nuestros resultados pueden utilizarse, por ejemplo, optimizar las características superficiales de los implantes médicos, "concluye la Dra. Anna Wach, quien fue responsable de la conducción del experimento en el sincrotrón SOLARIS.