Farba, która sama się oczyści. Naukowcy opracowali genialne rozwiązanie?

Świeżo pomalowana na biało ściana budynku nie pozostaje biała na zawsze. Na jej powierzchni gromadzą się różne substancje z powietrza i z biegiem czasu kolor się zmienia, co wymaga ponownego malowania. Być może takie praktyki odejdą w zapomnienie. Naukowcy opracowali farbę, która nie tylko sama się oczyszcza, ale może także usuwać zanieczyszczenia z powietrza.

Zanieczyszczenie powietrza stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia, ale wpływa również na wygląd budynków. Naukowcy od lat pracują nad specjalnym rodzajem farby, który byłby w stanie zachować kolor na dłużej i sprostać trudnym warunkom środowiskowym. Wydaje się, że taka farba właśnie powstała. Naukowcy z Università Politecnica delle Marche we Włoszech oraz z Technischen Universität we Wiedniu (TU Wien) opracowali farbę, która może nie tylko sama się oczyścić, ale też zrobić to samo z otaczającym powietrzem.

Opis oraz rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "ACS Catalysis" (DOI: 10.1021/acscatal.3c06203).

Sekretem nowej farby są specjalnie zmodyfikowane nanocząsteczki tlenku tytanu. To one sprawiają, że farba pod wpływem światła słonecznego uzyskuje właściwości samooczyszczające. To odkrycie może zminimalizować potrzebę ponownego malowania ścian, a jednocześnie pomóc w usuwaniu toksycznych substancji z powietrza.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniach może stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia. Typowymi jego źródłami są dym tytoniowy, pleśń, sierść zwierząt domowych i domowe środki czyszczące. Zanieczyszczenia te mogą prowadzić do problemów z oddychaniem, alergii, a nawet poważniejszych chorób, takich jak astma. Zła jakość powietrza w pomieszczeniach może również zaostrzyć istniejące problemy zdrowotne i wpłynąć na ogólne samopoczucie.

- Od lat ludzie próbują używać niestandardowych farb ściennych do oczyszczania powietrza – mówi prof. Günther Rupprechter z TU Wien. - W tym kontekście szczególnie interesujące są nanocząsteczki tlenku tytanu. Mogą wiązać i rozkładać szeroką gamę substancji zanieczyszczających – dodaje.

Jednak samo dodanie do farby zwykłych nanocząsteczek tlenku tytanu może mieć wpływ na żywotność farby. Chociaż nanododatki rozkładałyby zanieczyszczenia, powodowałyby również niestabilność farby i zwiększały prawdopodobieństwo jej pękania. Mogłyby również uwolnić potencjalnie szkodliwe lotne związki organiczne. Do tego po pewnym czasie nanododatki powodowałyby szarzenie się farby.

Ale nanocząsteczki mogą się same oczyścić, jeśli zostaną wystawione na działanie promieniowania UV. Tlenek tytanu to tzw. fotokatalizator – materiał umożliwiający reakcje chemiczne pod wpływem odpowiedniego światła.

Badacze w komunikacje zaznaczyli, że na rynku są już dostępne farby fotokatalityczne, jednak ich działanie jest oparte na sztucznych źródłach promieniowania UV. W praktyce jest to mało przydatne. Wielokrotne naświetlanie ściany intensywnym światłem UV w celu pobudzenia procesu samooczyszczania byłoby uciążliwe. - Naszym celem było zmodyfikowanie nanocząsteczek w taki sposób, aby efekt fotokatalityczny mógł być indukowany również przez zwykłe światło słoneczne – wyjaśnia Günther Rupprechter. To pozwala łatwiej aktywować właściwości samooczyszczające.

Naukowcy osiągnęli zamierzony efekt poprzez włączenie do nanocząsteczek tlenku tytanu domieszki fosforu, azotu i węgla, co zmniejszyło ilość energii potrzebnej do zainicjowania reakcji i umożliwiło jej działanie w zwykłym świetle słonecznym.

"Promieniowanie UV tworzy w cząsteczkach nośniki swobodnego ładunku, które powodują rozkład uwięzionych zanieczyszczeń z powietrza i ich uwolnienie. W ten sposób zanieczyszczenia nie pozostają trwale związane z farbą, a kolor ścian pozostaje stabilny przez długi czas" - napisali badacze w komunikacie.

Światło UV wzbudza elektrony w nanocząsteczkach tlenku tytanu, które oddziałują z cząsteczkami wody unoszącej się w powietrzu, tworząc wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe. Te związki usuwają zanieczyszczenia mające kontakt z farbą, przekształcając je w mniej szkodliwe substancje, takie jak dwutlenek węgla i woda.

- Obecnie zbadaliśmy to zjawisko bardzo szczegółowo, korzystając z różnych metod analizy powierzchni i nanocząsteczek – mówi Qaisar Maqbool, współautor badania. - W ten sposób mogliśmy dokładnie pokazać, jak zachowują się nasze cząsteczki przed i po dodaniu ich do farby ściennej – dodaje.

Zespół badawczy zmieszał zmodyfikowane nanocząsteczki tlenku tytanu ze zwykłą, dostępną w handlu farbą ścienną, a pomalowaną powierzchnię potraktował roztworem zawierającym zanieczyszczenia. Testy pokazały, że nawet 96 proc. zanieczyszczeń może zostać usuniętych przez naturalne światło słoneczne. Sam kolor farby się nie zmienił.

Wyniki uzyskane w testach to jedno, a rzeczywistość to drugie. Testy w warunkach laboratoryjnych przeprowadzane są w małej skali i wszystkie parametry, takie jak temperatura, wilgotność czy stężenie zanieczyszczeń, są dobrze kontrolowane. Komentatorzy podkreślają, że ciężko będzie powtórzyć wyniki w rzeczywistym zastosowaniu. Ale nawet jak osiągi spadną o kilka czy kilkanaście procent, to i tak będzie to dobry wynik.

Dla komercyjnego sukcesu takich farb ważne jest również unikanie drogich surowców. - W katalizie wykorzystuje się na przykład metale szlachetne, takie jak platyna czy złoto. W naszym przypadku wystarczą jednak pierwiastki, które są łatwo dostępne. Do uzyskania fosforu, azotu i węgla wykorzystaliśmy opadłe liście drzew oliwnych, a tlenek tytanu uzyskaliśmy z odpadów metalowych, które zwykle są po prostu wyrzucane – mówi Rupprechter.

Źródło: TU Wien, Scientific American, fot. United Soybean Board, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons