ثاني أكسيد التيتانيوم متعدد الأشكال: الروتيل مقابل الأناتاز

مقدمة

ثاني أكسيد التيتانيوم ( TiO₂) هو مركب يستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات، ويحظى بالتقدير لخصائصه البصرية والفيزيائية والكيميائية الفريدة. ويوجد بشكل طبيعي في ثلاثة أشكال متعددة الأشكال: الأناتاز والروتيل والبروكيت. ومن بين هذه الأشكال، يُعد الأناتاز والروتيل الأكثر أهمية في التطبيقات الصناعية، بينما نادرًا ما يُستخدم البروكيت بسبب عدم استقراره. سيناقش هذا المقال الاختلافات الرئيسية بين الأناتاز والروتيل، مع تسليط الضوء على هياكلها وخصائصها وتطبيقاتها.

[1]

البنية البلورية والاستقرار

ينتمي كل من الأناتاز والروتيل إلى النظام البلوري رباعي الزوايا ولكنهما يختلفان في بنيتهما الشبكية وثباتهما.

• الأناتاز: يتميزهذا الشكل المتعدد الأشكال ببنية بلورية أكثر انفتاحًا، مع خلية وحدة تحتوي على أربعة جزيئات TiO₂. وتكون شبكتها البلورية أقل انضغاطًا، مما يؤدي إلى كثافة أقل. يكون أناتاز مستقرًا في درجة حرارة الغرفة ولكنه يتحول إلى طور أكثر استقرارًا في درجات حرارة مرتفعة، عادةً حوالي 730 درجة مئوية. وهذا التحول لا رجعة فيه وطارد للحرارة، مما يسلط الضوء على الاستقرار الديناميكي الحراري الأعلى للمرحلة النهائية.
• الروتيل: يتميز ببنية بلورية أكثر كثافة وتماسكاً، حيث تحتوي كل خلية وحدة على جزيئين من جزيئات TiO₂. ويؤدي هذا الترتيب المتراص إلى كثافة أعلى واستقرار أكبر. وهو الشكل الأكثر ثباتًا من الناحية الديناميكية الحرارية من TiO₂، ويتحول كل من الأناتاز والبروكيت إلى هذا الطور المستقر عند التسخين.

الخواص الفيزيائية

--الكثافة والصلابة

تتراوح الكثافة النسبية للأناتاز من 3.8 إلى 3.9 جم/سم مكعب، وتتراوح صلابة موس بين 5.5 و6.0. تجعل الكثافة والصلابة المنخفضة الأناتاز أقل متانة من الروتيل.

بكثافة نسبية تتراوح بين 4.2 إلى 4.3 جم/سم³، يكون الروتيل أكثر كثافة وصلابة. وتتراوح صلابته في موس من 6.0 إلى 7.0، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب متانة أعلى ومقاومة للتآكل.

--ثابت العزل الكهربائي

يبلغ الثابت العازل الكهربائي للأناتاز حوالي 48، وهو أقل بكثير من ثابت العزل الكهربائي للروتيل. يحد ثابت العزل الكهربائي المنخفض هذا من استخدامه في التطبيقات التي تتطلب خصائص عازلة عالية.

أما الروتيل فللروتيل ثابت عازل كهربائي أعلى بكثير، حيث يبلغ متوسطه حوالي 114. وهذا الثابت العازل الكهربائي العالي، إلى جانب ثباته، يجعله مثاليًا للتطبيقات الإلكترونية.

الخواص البصرية

-- معامل الانكسار

يحدد معامل الانكسار للمادة قدرتها على ثني الضوء، ويشتهر TiO₂ بمعامل انكسار عالٍ جدًا، وهو ما يفيد التطبيقات البصرية. يبلغ معامل انكسار الأناتاز 2.55 تقريبًا. وعلى الرغم من ارتفاعه، إلا أنه لا يزال أقل من معامل انكسار الروتيل.

يتميز الروتيل بمعامل انكسار أعلى، حوالي 2.71، مما يجعله فعالاً بشكل استثنائي في التطبيقات التي تتطلب أقصى قدر من تشتت الضوء والعتامة.

--قوة تشتت الضوء

تُعد قدرة تشتت الضوء لـ TiO₂ حاسمة لاستخدامه كصبغة في الدهانات والطلاءات والمواد الأخرى. وعلى الرغم من تمتعه بخصائص جيدة لتشتت الضوء، إلا أن معامل انكسار الأناتاز المنخفض يعني أنه أقل فعالية من الروتيل.

وبفضل معامل انكساره الأعلى، يوفر الروتيل تشتتًا ضوئيًا فائقًا للضوء، مما يعزز من التعتيم والسطوع في تطبيقات مثل الدهانات والطلاءات. وهذا يجعله الخيار المفضل للأصباغ البيضاء.

الخواص الكهربائية

-التوصيلية

يعمل ثاني أكسيد التيتانيوم كأحد أشباه الموصلات، حيث تتأثر الموصلية الكهربائية بدرجة الحرارة وفراغات الأكسجين. وبشكل عام، يُظهر الأناتاز توصيلية كهربائية أقل. وهو أقل حساسية للتغيرات في درجات الحرارة مقارنة بالروتيل.

تزداد الموصلية الكهربائية للروتيل بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة. وعند حوالي 420 درجة مئوية، يمكن أن تزيد موصلية الروتيل الكهربائية بعدة مرات من حيث الحجم، مما يجعله ذا قيمة في المكونات الإلكترونية مثل المكثفات الخزفية. وهذه الحساسية لدرجة الحرارة ومحتوى الأكسجين تجعله مفيداً في تطبيقات الاستشعار.

التطبيقات

لكل من الأناتاز والروتيل تطبيقات متميزة بناءً على خصائص كل منهما.

1. الأناتاز

• التحفيز الضوئي: يُستخدم الأناتاز على نطاق واسع في تطبيقات التحفيز الضوئي بسبب تفاعليته العالية تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية. وهو فعال في تحلل الملوثات العضوية، مما يجعله مفيدًا في أنظمة تنقية الهواء والماء، والأسطح ذاتية التنظيف، والطلاءات المضادة للميكروبات.
• الخلايا الشمسية: نظرًا لخصائصه النشطة ضوئيًا، يُستخدم الأناتاز في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة لتعزيز الكفاءة.

2. الروتيل

• الأصباغ: إن معامل انكساره العالي وتشتت الضوء الفائق يجعله مثاليًا للاستخدام كصبغة بيضاء في الدهانات والبلاستيك والأوراق. يوفر عتامة وسطوع ممتازين.
• المكونات البصرية: يُستخدم في إنتاج المكونات البصرية، مثل العدسات والطلاءات بسبب معامل الانكسار العالي.
• الإلكترونيات: إن ثابت العزل الكهربائي العالي والتوصيل الكهربائي تحت درجات الحرارة العالية يجعل الروتيل مناسباً للأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك المكثفات والمتغيرات.
• التطبيقات في درجات الحرارة العالية: ثباته في درجات الحرارة المرتفعة يجعله مناسباً لطلاء السيراميك والمواد المقاومة للحرارة وغيرها من التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

حقائق سريعة عن الروتيل والأناتاز

تقدم Stanford Advanced Materials (SAM) منتجات تيتانيوممتميزة بأسعار تنافسية. نحن نوفر كلاً من شكلي أناتاز وروتيل من ثاني أكسيد التيتانيوم، مع توفر خيارات التخصيص لتلبية احتياجاتك الخاصة. اتصل بنا لمزيد من المعلومات أو لتقديم استفسار.

الخلاصة

يعد فهم الاختلافات بين الأناتاز والروتيل أمرًا ضروريًا لتحسين استخدامهما في التطبيقات الصناعية المختلفة. أناتاز، بنشاطه التحفيزي الضوئي الأعلى، مناسب للتقنيات البيئية وتقنيات التنظيف الذاتي. من ناحية أخرى، يوفر الروتيل ثباتًا وكثافة وخصائص بصرية متفوقة، مما يجعله مثاليًا للأصباغ والطلاءات والمكونات الإلكترونية.

ويعتمد الاختيار بينهما على المتطلبات المحددة للتطبيق. وبالاستفادة من الخصائص الفريدة لهذه الأشكال المتعددة لـ TiO₂، يمكن للصناعات تحسين أداء وكفاءة منتجاتها.

مرجع:

[1] Stawarz, Sylwester & Witek, Natalia & Kucharczyk, Wojarczyk, Wojarciech & Bakar, Med & Stawarz, Magdalena. (2019). خصائص الحماية الحرارية لمركبات البوليمر مع ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي. المجلة الدولية للميكانيكا والمواد في التصميم. 15. 10.1007/s10999-018-9432-7.