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Proprietà antibatteriche, fotocatalitiche di film nanostruttrati di ossido di titanio (TiO2) ottenuti con il metodo Sol-Gel Le possibilità di ottenere film con proprietà multifunzionali

Davide Di Claudio, Ayalasomayajula Ratna Phani, Tania Limongi e Sandro Santucci

Dipartimento di Fisica Università dell’Aquila – Via Vetoio 10 – Coppito 67010 L’Aquila

 

Il biossido di titanio è un ossido con proprietà di semiconduttore (GAP dell’ordine di 3 eV) ampiamente impiegato a livello industriale per le più svariate applicazioni. Le proprietà fotocatalitiche di questo straordinario materiale sono state scoperte nel 1967 in Giappone, dal Prof. Fujishima come parte di una ricerca sugli ossidi semiconduttori che rispondono alla luce. Tali proprietà possono essere utilizzate per depurare l’aria e l’acqua da prodotti organici così come per produrre cataliticamente dei gas. Lo schema generale per la distruzione fotocatalitica dei prodotti organici comincia con l’eccitazione mediante fotoni al disopra della GAP di energia proibita dell’ossido di titanio e continua con le reazioni redox dove i radicali OH, formatisi sulla superficie del fotocatalizzatore, svolgono il ruolo importante di assorbire idrogeno dalle molecole presenti sulle pareti delle cellule dei batteri con cui interagiscono provocando la distruzione della parete cellulare e quindi la morte 

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Con l’avvento delle nanotecnologie la proprietà fotocatalitica del biossido di titanio viene notevolmente aumentata dalla possibilità di ottenere tale materiale sotto forma di particelle di dimensioni nanometriche. Con tecniche che permettono di porre la materia solida frazionata in particelle di dimensione nanometriche (1 nm =10-9m), nella nano-scala, non soltanto l’area esposta della particella di biossido di titanio aumenta drammaticamente rispetto alla parte non interessata al fenomeno fotocatalitico, aumentando così l’area efficace su cui avvengono le reazioni fotocatalitiche, ma inoltre la ridotta dimensione influisce sulle proprietà ottiche e sugli effetti di quantizzazione dovuti alle dimensioni ridotte, cambiando l’energia di GAP del semiconduttore rispetta a quella del materiale massivo. Viene infatti osservato, al diminuire delle dimensioni delle particelle di TiO2, sia un aumento del numero di reazioni fotocatalitiche che l’aumento del potenziale ossidoriduttivo. Inoltre drogando opportunamente le particelle di TiO2 si può efficacemente utilizzare, come fonte di energia per attivare la fotocatalisi, tutta l’energia proveniente dalla luce solare anziché solo la parte UV.

Le applicazioni del biossido di titanio nel campo della depurazione da contaminanti organici si possono riassumere in:

 

Applicazioni di deodorizzazione.

 La fotocatalisi realmente attacca la radice dell’odore causando la rottura delle molecole all’origine dell’odore (ammoniaca, aldeidi gassose [ fumo ], ecc).

 

Applicazioni di purificazione dell’acqua.

Causa la distruzione della materia organica quali i residui organici del cloro, il tetracloroetilene, il trihalometano ed altre sostanze nocive.

 

Applicazioni di miglioramento ambientale.

Attivamente rimuove dall’atmosfera le sostanze ambientali di inquinamento, quale l’ NOx emesso dai gas di scarico e decompone l’SOx.

 

Applicazioni antibatteriche.

 I batteri quali e-coli, lo stafilococco giallo, i funghi della muffa, ma anche la Pseudomona aeruginosa, e lo Staffilococco aureo vengono decomposti secondo il seguente meccanismo: quando la materia organica aderisce alle nano-particelle di TiO2 in presenza di l’acqua, i radicali idrossilici formatisi per fotocatalisi rompono la parete delle cellule e la membrana esterna, facendo si che particelle delle cellule fuoriescano e quelle di TiO2 entrino, causando danni irreparabili e la morte delle cellule.

 

2. La nostra attività di ricerca nel campo

Piuttosto che alla produzione di polveri di dimensioni nanometriche di biossido di titanio, già ampiamente prodotte a livello industriale e reperibili in grandi quantitativi con costi ragionevolmente bassi, la nostra ricerca è orientata in due differenti direzioni:

 

a)       ricerca e studio dei droganti del biossido di titanio che sintonizzino nella zona della luce visibile le sue proprietà fotocatalitiche, ed aumentino il numero di siti fotocatalitici

 

b)       metodi di applicazione del biossido di titanio sotto forma di film sottili per rivestire le superfici di materiali da proteggere estendendone quindi l’applicazione fotocatalitica alla protezione di manufatti per i quali l’uso di polveri sarebbe impossibile, evitando inoltre qualsiasi circolazione in atmosfera di polveri ultrafini.

 

Considerando inoltre che i film sottili possono essere preparati per ottenere anche ulteriori proprietà, questi stati sottili di biossido di titanio possono essere, mediante opportune variazioni nella fase di preparazione, dotati oltre che delle proprietà antibatteriche anche di proprietà anticorrosive ed anche di speciali proprietà ottiche (riflettività ed assorbimento della radiazione visibile) ecc. Si possono produrre cioè film sottili multifunzionali di cui una delle funzioni è la capacità antibatterica.

 

2. Risultati sperimentali

2.1 Preparazione di film sottili di TiO2 su vetro per svolgere test antibatterici:

 

Usando come precursore il butossido di titanio mescolato con opportune sostanze surfattanti per controllare la crescita delle particelle nanometriche che compongono il film di TiO2 e con opportune quantità di HNO3 ed acqua deionizzata si ottiene una soluzione (“sol”) che viene applicata su lastrine di vetro e per parziale evaporazione del solvente a temperatura ambiente diventa una patina uniforme (“gel”). L’applicazione viene effettuata mediante la tecnica del “ dip coating” che consiste nell’immergere il vetrino, verticalmente nella soluzione e ritiralo verso l’alto a velocità controllata, determinando così lo spessore del “gel” sottile che si deposita sul vetro, anche effettuando immersioni ripetute. I film di “xerogel” così ottenuti vengono poi sottoposti ad un trattamento termico a 500°C per 3 h in aria al fine di ottenere un deposito omogeneo, aderente al supporto di vetro e privo di solventi. I film vengono sottoposti a caratterizzazione morfologica e strutturale per determinare le dimensioni delle particelle di TiO2 prima di sperimentarne le proprietà antibatteriche.

Nelle figure 2a e 2b sono rispettivamente mostrate alcune misure della morfologia delle particelle di TiO2 . Le immagini sono state ottenute mediante microscopia elettronica ad alta risoluzione (SEM) e microscopia a forza atomica AFM.

 

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2.2 Misure di proprietà antibatteriche

L’attività antibatterica contro E.coli B172 del film di TiO2 viene studiata usando il metodo dell’antibacterial drop-test. Su un substrato di Solo Vetro e uno substrato di vetro ricoperto di TiO2 viene posta una goccia di soluzione batterica, vengono esposti alla sorgente luminosa ultra violetta UV fino ad un tempo massimo di 4 ore. Dopo l’esposizione la goccia batterica viene prelevata e, dopo una incubazione over night, viene fatta la conta dei batteri vivi tramite uno spettrofotometro. L’interessante risultato trovato è che l’attività fotocatalitica di distruzione dell’ E.coli da parte dei deposti di TiO2 viene aumentata in conseguenza del drogante Fe+3, così come con la presenza dei nanotubi di carbonio.

In figura 3 sono riportati alcuni risultati sperimentali (percentuale di batteri sopravvissuti al trattamento in funzione del tempo di esposizione alla radiazione luminosa). Si nota come il numero di batteri sopravvissuti in presenza del supporto ricoperto di TiO2 decresce all’aumentare del tempo di esposizione (curva rossa), mentre il numero dei sopravvissuti sul supporto di solo vetro (curva nera) resta pressoché costante.

 

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Figura 3: Numero relative di Batteri sopravvissuti sotto illuminazione UV per i campioni: Bianco, e TiO2 puro.

 

3. Conclusioni

Film sottili solidi composti da biossido di titanio sotto forma di particelle nanostruttrate mostrano eccellenti proprietà antibatteriche. Tali film possono essere applicati in modo estremamente semplice su un gran numero di substrati differenti, non esclusi i supporti polimerici. Questo studio apre la porta ad una miriade di applicazioni industriali innovative dei film sottili nanostrutturati grazie anche alla possibilità di aggiungere ulteriori funzionalità adottando delle semplici variazioni nel corso delle procedure di preparazione dei precursori del film stesso.

 

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