หลักการของพื้นผิว Superhydrophilic TiO2
โดยปกติแล้ว พื้นผิวที่เคลือบ TiO2 จะมีมุมสัมผัสกับน้ำที่กว้าง แต่มุมสัมผัสของน้ำจะลดลงเหลือน้อยกว่า 5 องศาหลังจากการฉายรังสี UV และอาจสูงถึง 0 องศา (เช่น หยดน้ำจะกระจายตัวบน พื้นผิว Tio2) แสดงถึงความสามารถในการชอบน้ำที่ทรงพลังมาก หลังจากหยุดรับแสงแล้ว สภาวะที่ไม่ชอบน้ำมากของพื้นผิวจะคงอยู่เป็นเวลาสองสามชั่วโมงถึงหนึ่งสัปดาห์ จากนั้นจะค่อยๆ กลับสู่สถานะที่ไม่ชอบน้ำก่อนการฉายรังสี การฉายรังสีเพิ่มเติมด้วยแสงอัลตราไวโอเลตอาจทำให้เกิดภาวะขาดน้ำได้สูง และการฉายรังสีด้วยแสงอัลตราไวโอเลตเป็นระยะๆ สามารถทำให้พื้นผิวคงสถานะของน้ำยิ่งยวดได้เสมอ
เดิมทีเชื่อกันว่าภาวะขาดน้ำยิ่งยวดของพื้นผิว TiO2 นั้นมาจากการสลายตัวด้วยแสงของโมเลกุลอินทรีย์ที่ดูดซับบนพื้นผิว ในขณะที่พื้นผิวของ TiO2 นั้นชอบน้ำเนื่องจากการดูดซับทางเคมีของน้ำ การดูดซับสารอินทรีย์ในอากาศทำให้พื้นผิว ไม่ชอบน้ำ เมื่อฉายรังสีด้วยแสง UV พื้นผิวจะสร้างกลุ่มไฮดรอกซิลออกซิไดซ์ที่แรง และสารอินทรีย์ที่ไม่ชอบน้ำจะถูกออกซิไดซ์และย่อยสลายโดยกลุ่มไฮดรอกซิลเชิงบวกผ่านปฏิกิริยาการสลายตัวด้วยโฟโตคะตาไลติก จึงทำให้พื้นผิวมีพฤติกรรมที่ชอบน้ำ เมื่อแสงหยุดลง สารอินทรีย์จะค่อยๆ ดูดซับบนพื้นผิว TiO2 และกลับสู่สถานะที่ไม่ชอบน้ำ อย่างไรก็ตาม มีการแสดงให้เห็นว่าความเป็นน้ำยิ่งยวดของพื้นผิว TiO2 นั้นแตกต่างจากปฏิกิริยาออกซิเดชันและการสลายตัวด้วยโฟโตคะตาไลติกของ TiO2 แต่เป็นปฏิกิริยาอีกประเภทหนึ่งที่เกิดจากแสงบนพื้นผิว TiO2 เอง ด้วยเหตุผลต่อไปนี้: ① ความสามารถในการละลายน้ำได้ยิ่งยวดของพื้นผิว TiO2 ไม่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพการสลายตัวด้วยแสงของสารอินทรีย์ มีการสังเกตพบในผลึกเดี่ยวหรือผลึกโพลีคริสตัล TiO2 บางชนิดที่ไม่มีกิจกรรมโฟโตคะตาไลติกหรือกิจกรรมโฟโตคะทาไลติกต่ำมาก ② การเติมไอออนโลหะบางชนิด (เช่น ทองแดง) สามารถปรับปรุงปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกออกซิเดชันของ TiO2 ในขณะที่ลดคุณสมบัติยิ่งยวดของพื้นผิว TiO2 ③ แตกต่างจากพื้นผิว TiO2 ที่มีรูพรุนและพื้นที่ปฏิกิริยาที่ใหญ่ที่สุดซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกออกซิเดชัน พื้นผิวที่เรียบและหนาแน่นเอื้อต่อคุณสมบัติยิ่งยวดน้ำมากกว่า ภายใต้สภาวะปกติ สารที่เป็นมัน เช่น ethylene glycol hexadecane และ glyceryl trioleate มีมุมสัมผัสกับพื้นผิว TiO2 มาก อย่างไรก็ตาม หลังจากการฉายรังสี UV ของเหลวเหล่านี้จะถูกแทรกซึมอย่างสมบูรณ์ในพื้นผิวเคลือบแก้ว นั่นคือ หลังจากการฉายรังสี UV พื้นผิว TiO2 ด้วยกิจกรรมแอมฟิฟิลิกของน้ำ-น้ำมัน
เชื่อกันว่าพื้นผิว TiO2 ที่มีความชอบน้ำมากเป็นพิเศษภายใต้สภาพแสงนั้นถูกทำให้แข็งตัวโดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นผิว: ภายใต้สภาวะการฉายรังสี UV อิเล็กตรอนแถบเวเลนต์ TiO2 จะถูกกระตุ้นไปยังแถบการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนและรูจะย้ายไปยังพื้นผิว TiO2 ทำให้เกิดอิเล็กตรอน - รูคู่บนพื้นผิว อิเล็กตรอนทำปฏิกิริยากับ Ti4 บวก รูทำปฏิกิริยากับไอออนออกซิเจนบนพื้นผิว ซึ่งก่อตัวเป็นไอออนไททาเนียมไตรวาเลนต์บวกและออกซิเจนที่ว่างตามลำดับ ในกรณีนี้ น้ำในอากาศจะแยกตัวออกและถูกดูดซับไว้ในส่วนที่ว่างของออกซิเจน ก่อตัวเป็นพื้นผิวที่ถูกดูดซับด้วยสารเคมี (กลุ่มไฮดรอกซิลบนผิว) พื้นผิวการดูดซับทางเคมีนี้สามารถดูดซับน้ำในอากาศเพิ่มเติมและสร้างชั้นการดูดซับทางกายภาพ กล่าวคือ โซนสัญลักษณ์ที่ชอบน้ำสูงจะก่อตัวขึ้นรอบๆ ข้อบกพร่อง Ti3 plus ในขณะที่พื้นที่ที่เหลือของพื้นผิวยังคงไม่ชอบน้ำ ดังนั้นจึงเป็นการแบ่งโซนขนาดนาโนที่สม่ำเสมอ โซนสัญลักษณ์ที่ชอบน้ำและโอเลฟิลิกบนพื้นผิว TiO2 คล้ายกับปรากฏการณ์เส้นเลือดฝอยสองมิติ เนื่องจากขนาดของหยดน้ำหรือหยดน้ำมันมีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่ที่ชอบน้ำหรือชอบน้ำมันมาก พื้นผิว TiO2 ที่มองเห็นด้วยตาเปล่าจึงแสดงคุณสมบัติที่ชอบน้ำและชอบน้ำมัน หยดน้ำหรือน้ำมันถูกดูดซับโดยบริเวณจุลภาคที่ชอบน้ำหรือบริเวณสัญลักษณ์ที่มีไขมันตามลำดับ จึงแทรกซึมพื้นผิว เมื่อการฉายรังสี UV หยุดลง กลุ่มไฮดรอกซิลที่ถูกดูดซับด้วยสารเคมีจะถูกแทนที่ด้วยออกซิเจนในอากาศและกลับสู่สถานะที่ไม่ชอบน้ำ
