Cómo controlar la condensación del agua en nanotubos fotoactivos

El dióxido de titanio es un material fotoactivo y se puede controlar su comportamiento ante el agua simplemente irradiándolo con luz ultravioleta. La exposición a esta luz lo hace pasar de un estado hidrofóbico (repelente al agua) a un estado hidrófilo (con gran afinidad al agua). Esta propiedad es reversible así que permite ajustar la atracción del material por el agua según interese por sus posibles aplicaciones. Por ejemplo, si repele el agua, en transporte o arquitectura este tipo de materiales ofrece grandes posibilidades a la fabricación de superficies que no se empañen.

El cambio de comportamiento hidrofóbico-hidrófilo (contrario o afín al agua) del dióxido de titanio por la luz ultravioleta ya es conocido, sin embargo existe gran controversia sobre qué ocurre para dimensiones más pequeñas y qué nuevos efectos induce la luz ultravioleta en nanoestructuras como los nanotubos. Para tener un conocimiento más profundo sobre este tema, investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla han usado una combinación sin precedentes de dos técnicas para obtener información complementaria a diferentes escalas.

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Los resultados, publicados en la revista Langmuir, describen los mecanismos de condensación del agua que tienen lugar en la superficie de nanotubos de dióxido de titanio después de haberlos irradiado con luz ultravioleta. De esta forma se puede controlar la interacción del material con el agua, cambiando sus propiedades y haciéndolo afín o repelente a ésta según convenga. Esta característica es de gran interés en sectores como la arquitectura o el transporte para desarrollar superficies que no se empañen, por ejemplo.

Para realizar el estudio, los autores han usado un microscopio electrónico de barrido que permite observar los materiales in situ, en condiciones muy parecidas a las reales. Así, han obtenido imágenes del agua condensada en la superficie de los nanotubos. Cuando la superficie de dióxido de titanio es hidrofóbica, el agua se condensa sobre ella en forma de microgotas, minimizando así el contacto con el material. Después de la exposición a la luz ultravioleta, debido a la nueva adquirida afinidad del material por el agua, la forma del mojado cambia y en vez de gotas aparece una película continua que “inunda” el nanotubo desde el interior hasta el exterior del sistema.

Imágenes de microscopio electrónico de barrido que muestran el agua condensada en la superficie de los nanotubos de dióxido de titanio, en estado hidrofóbico (izquierda arriba) e hidrófilo (izq. abajo). Arriba se observan las gotas de agua depositadas en la superficie de los nanotubos. Abajo, después de la irradiación con luz ultravioleta, se ve el cambio de la morfología del agua condensada, formando ahora una película continua que inunda toda la estructura. Derecha: espectros de emisión obtenidos en el Sincrotrón ALBA, en condiciones de vacío (a) y expuestos a presiones de vapor de agua creciente para propiciar la condensación progresiva de agua en nanotubos no irradiados (izquierda) e irradiados con luz ultravioleta (derecha). (Foto: Sincrotrón ALBA)

A fin de saber qué mecanismos intervienen en este cambio en la condensación del agua, el equipo de Sevilla ha analizado los nanotubos de dióxido de titanio en el Sincrotrón ALBA (España), usando la estación NAPP de la línea de luz CIRCE, que permite llevar a cabo análisis de fotoemisión a presiones cercanas a las ambientales. Esta técnica con luz de sincrotrón les ha permitido saber la composición química de la superficie de los nanotubos y ver cómo ésta va variando a medida que se desarrolla el proceso de condensación de agua sobre la muestra.

La imagen muestra los espectros de emisión de luz de la superficie de los nanotubos antes y después de irradiarlos con luz ultravioleta. Al añadir vapor de agua para propiciar su condensación sobre el dióxido de titanio, se observa menor intensidad de la banda de señal de agua en la muestra irradiada, corroborando que en las muestras hidrófilas el fenómeno de condensación procede desde el interior al exterior de la capa. En conjunto, gracias a los espectros de emisión obtenidos en el Sincrotrón ALBA deducen en qué estado se encuentra el agua y han visto cómo cambia su absorción antes y después de tratar el dióxido de titanio con ultravioleta.

Estos hallazgos cuadran con los resultados obtenidos en el microscopio electrónico de barrido. De este modo, esta combinación de técnicas ha permitido al equipo de científicos desentrañar los factores que controlan la condensación del agua en las superficies de los nanotubos, tanto a nivel microscópico como molecular. Estos resultados han contribuido a comprender los procesos de fotoactivación del dióxido de titanio, material que constituye un paradigma entre los óxidos fotoactivos y que es ampliamente usado en el desarrollo de fotocatalizadores, biomateriales y superficies auto-lavables. (Fuente: Sincrotrón ALBA)