Peu de composés sont aujourd'hui aussi importants pour l'industrie et la médecine que le dioxyde de titane. Malgré la variété et la popularité de ses applications, de nombreux problèmes liés à la structure de surface des matériaux constitués de ce composé et les processus qui s'y déroulent restent flous. Certains de ces secrets viennent d'être révélés à des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences. C'était la première fois qu'ils utilisaient le synchrotron SOLARIS dans leurs recherches.

On le trouve dans de nombreuses réactions chimiques en tant que catalyseur, comme pigment dans les plastiques, peintures ou cosmétiques et dans les implants médicaux, il garantit leur haute biocompatibilité. Dioxyde de titane (TiO 2 ) est pratiquement omniprésent aujourd'hui, ce qui ne veut pas dire que toutes ses propriétés sont déjà connues de l'humanité. Un groupe de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, dirigé par le Dr Jakub Szlachetko, travaillant sur le synchrotron Solaris, a réussi à faire la lumière sur les détails des processus d'oxydation des couches externes des échantillons de titane et les changements associés dans la structure électronique du matériau. Les recherches sur le dioxyde de titane ont inauguré la présence des scientifiques de l'IFJ PAN dans les programmes de recherche menés sur le synchrotron SOLARIS. Le dispositif, fonctionnant dans le cadre du Centre national de rayonnement synchrotron, est situé à Cracovie sur le campus du 600e anniversaire de l'Université Jagellonne.

Le rayonnement synchrotron a été découvert en 1947, lorsque General Electric a lancé un accélérateur qui a incurvé le chemin des électrons accélérés à l'aide d'aimants. Les particules commenceraient alors à émettre de la lumière de manière aléatoire, alors ils perdaient de l'énergie, alors qu'ils étaient censés en gagner ! Le rayonnement synchrotron était donc considéré comme un effet indésirable. Ce n'est que grâce aux générations successives de sources de rayonnement synchrotron que des faisceaux lumineux avec des intensités plus élevées et une meilleure qualité de lumière émise ont été obtenus, y compris une répétabilité élevée des impulsions avec pratiquement toujours les mêmes caractéristiques.

Le synchrotron SOLARIS, l'appareil le plus grand et le plus moderne de ce type en Europe centrale, se compose de deux parties principales. Le premier est un accélérateur linéaire d'électrons de 40 m de long. Les particules gagnent ici des énergies de 600 mégaélectronvolts, après quoi ils atteignent la deuxième partie de l'appareil - l'intérieur d'un anneau d'accumulation d'une circonférence de 96 m, où courbant des aimants, des wigglers et des onduleurs sont placés sur leur chemin. Ce sont des ensembles d'aimants orientés alternativement, à l'intérieur de laquelle la forme du chemin des électrons commence à ressembler à une sinusoïde. C'est alors que les électrons « vacillants » émettent un rayonnement synchrotron, dirigés vers les stations terminales appropriées avec un équipement de mesure. Les ondes électromagnétiques produites par SOLARIS sont classées comme des rayons X mous.

Les caractéristiques uniques du rayonnement synchrotron ont de nombreuses applications :elles aident au développement de nouveaux matériaux, suivre le cours des réactions chimiques et permettre de mener des expériences utiles au développement des nanotechnologies, microbiologie, Médicament, pharmacologie et de nombreux autres domaines de la science et de la technologie.

« Les recherches sur le synchrotron SOLARIS ouvrent de toutes nouvelles perspectives, il n'est donc pas étonnant que de nombreux groupes de recherche de Pologne et du monde entier demandent ici le temps de faisceau. Bien que notre Institut, tout comme le synchrotron SOLARIS, soit situé à Cracovie, comme tout le monde, nous avons rivalisé en termes de qualité de recherche pour le temps de faisceau à la station de mesure appropriée, " dit le professeur Wojciech M. Kwiatek, chef de la Division de la recherche interdisciplinaire à la FIJ PAN et président de la Société polonaise de rayonnement synchrotron. Le professeur Kwiatek note qu'à une époque de restrictions de voyage causées par le développement de la pandémie, la possibilité d'effectuer des examens physiques avancés pratiquement sur place est un énorme avantage.

Des chercheurs de l'IFJ PAN ont effectué leurs dernières mesures, cofinancé par le Centre national des sciences polonais, à la station expérimentale XAS. Il enregistre comment les rayons X sont absorbés par les couches superficielles d'échantillons de titane précédemment produits à l'Institut dans des conditions soigneusement contrôlées.

« Nous nous sommes concentrés sur les observations des changements de la structure électronique des couches superficielles des échantillons en fonction des changements de température et de l'avancement du processus d'oxydation. Pour cela, nous avons chauffé des disques de titane à différentes températures et atmosphères ambiantes. Après avoir été transporté à la station expérimentale synchrotron, les échantillons ont été illuminés avec un rayonnement synchrotron, c'est-à-dire les rayons X. Les propriétés du rayonnement synchrotron étant bien connues, nous avons pu l'utiliser pour déterminer avec précision la structure des états électroniques inoccupés des atomes de titane et sur cette base tirer des conclusions sur les changements dans la structure du matériau, " déclare Klaudia Wojtaszek, doctorante (IFJ PAN), le premier auteur de l'article publié dans le Journal de chimie physique A.

Le dioxyde de titane se présente sous trois formes polymorphes, caractérisé par différentes structures cristallographiques. Le plus populaire est le rutile, un minéral qui est commun dans de nombreuses roches (les autres variétés sont l'anatase et la brookite). Les recherches sur le synchrotron SOLARIS ont permis aux physiciens de Cracovie de recréer avec précision le processus de formation de la phase rutile. Il s'est avéré qu'il se forme à des températures plus basses qu'on ne le pensait auparavant.

« Nos recherches apportent des connaissances fondamentales sur la structure du matériau. Cependant, cette structure est étroitement liée aux propriétés physico-chimiques de la surface du dioxyde de titane. Potentiellement, nos résultats peuvent donc être utilisés, par exemple, optimiser les caractéristiques de surface des implants médicaux, " conclut le Dr Anna Wach, qui était responsable de la conduite de l'expérience au synchrotron SOLARIS.