如果把玻璃粉和二氧化鈦的粉末放在一起，恐怕很難分辨哪種材料看上去更白一些。但在很多時候，我們并不是直接把這些白色的粉末涂到物體的表面，而是把它和各種高分子材料混在一起制成油漆或者涂料，例如涂在汽車和家具表面的白色油漆就是這樣制成的。它不僅能夠提供白色，還能保護(hù)物體表面免受磨損或腐蝕。
如果我們選擇玻璃粉來生產(chǎn)這樣的白色油漆，就會遇到一個很奇怪的現(xiàn)象：盡管玻璃粉本身潔白無暇，制成的涂料卻又變得像玻璃一樣無色透明，結(jié)果物體表面涂上涂料之后還是原先的顏色。而如果我們用二氧化鈦的粉末去代替玻璃粉，不管物體原先是紅色、藍(lán)色或是綠色，只要涂料輕輕一刷，全部都被白色覆蓋了。同樣是白色顏料，為什么會有這么大的差異呢？
光學(xué)原理告訴我們，對于兩種不同的材料，如果光在它們之中分別傳播時感受到的差異越大，那么光在二者界面上就越容易發(fā)生反射和散射。用更為專業(yè)的語言描述就是，兩種材料的折射率相差越大，反射和散射的效果就越明顯。如果我們僅僅是將白色顏料本身制成粉末，那么反射和散射是發(fā)生在空氣和顏料的界面上，而在常見的各種材料中，空氣擁有最低的折射率，數(shù)值接近1。不過，這只是針對可見光而言。對于其他波長的電磁波，材料的折射率可以小于1，例如常見材料對X射線的折射率通常小于1。因此，充當(dāng)白色顏料的材料不僅要透明，而且折射率必須盡可能地高，這樣才能利用最少的材料產(chǎn)生最明顯的白色。
玻璃的折射率在1.5左右，這個數(shù)值并不算太低。然而如果我們把玻璃添加到高分子材料中，問題就來了：常見的高分子材料的折射率通常在1.4-1.6之間，和玻璃相差不大，當(dāng)光穿過玻璃進(jìn)入高分子材料時，并不會有太大的變化。這樣一來，被反射和散射的光的比例都大大降低。例如，光在玻璃和空氣的界面上會有4%左右被反射，但是光在玻璃和折射率為1.4的高分子材料的界面上只有約千分之一左右被反射。在反射效率降低的同時，光的散射也變得不那么強(qiáng)烈。因此當(dāng)我們把玻璃粉和高分子材料混合得到的涂料涂在物體表面時，大部分的光其實都透過了涂料，所以這層涂料看上去是透明的。不僅玻璃如此，還有許多常見的能夠產(chǎn)生白色的材料，例如粘土和碳酸鈣等，折射率也都和高分子材料相近。用這些材料生產(chǎn)出來的白色油漆或者涂料，白色的效果同樣會比較差。
為了保證白色顏料在油漆和涂料中能夠正常發(fā)揮作用，我們必須尋找折射率更高且透明的材料，這也就是二氧化鈦最終在眾多候選者中脫穎而出的原因。它有著高達(dá)2.7的折射率，當(dāng)然，二氧化鈦有多種晶體形式，最常用于白色顏料的是金紅石和銳鈦礦這兩種形式。其中金紅石形式折射率稍高，在2.7左右；銳鈦礦形式折射率略低，在2.55左右。常見的材料中，折射率與二氧化鈦接近或者更高的材料還有一些，例如硫化鋅的折射率可達(dá)2.57，一些半導(dǎo)體材料的折射率在3~4之間。
光在經(jīng)過空氣和二氧化鈦的界面時，被反射的光的比例高達(dá)20%，即便把二氧化鈦和折射率為1.6的高分子材料混在一起，巨大的折射率差異也可以保證強(qiáng)烈的反射和散射。高透光性與高折射率的完美結(jié)合，使得二氧化鈦成為白色顏料的不二選擇。雖然二氧化鈦遲至20世紀(jì)初才開始被大量用作白色顏料，但其優(yōu)異的性能使得它很快占據(jù)了白色顏料的主導(dǎo)地位。目前，全世界每年有數(shù)百萬噸的二氧化鈦被生產(chǎn)出來，這其中絕大部分都被用作了白色顏料。
二氧化鈦不僅被大量用作油漆和涂料中的白色顏料，還被經(jīng)常添加到食物、藥品和化妝品中，讓它們看上去更加潔白。如果找出一管白色的牙膏或者一盒白色的藥片，你多半會在配料表中發(fā)現(xiàn)二氧化鈦的身影。我們無需擔(dān)心進(jìn)入人體的二氧化鈦會損害我們的健康，到目前為止，各種研究都認(rèn)為二氧化鈦并不會對人體造成明顯的負(fù)面影響。動物實驗表明，吸入二氧化鈦顆粒能夠?qū)е路伟?，但目前尚未在人體中證實，因此國際癌癥研究機(jī)構(gòu)將其列為二類B級致癌物，即有可能對人體有致癌作用。另外一些研究人員認(rèn)為，尺寸更小的二氧化鈦納米顆粒由于性質(zhì)更為活潑，安全性需要進(jìn)一步的評估。但用于白色顏料的二氧化鈦顆粒較大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此通常被認(rèn)為是安全的。
如果你認(rèn)為二氧化鈦只能用作白色顏料，那未免太小瞧它了。它還能幫助我們實現(xiàn)許多更為重要的功能。二氧化鈦有一個很有趣的特點，那就是雖然對陽光中的可見光幾乎沒有任何吸收，卻能強(qiáng)烈地吸收其中的紫外線。于是人們把它添加到防曬霜中，讓它不僅能夠?qū)⒖梢姽夥瓷?、散射掉，還能夠?qū)ζつw危害更大的紫外線進(jìn)行吸收，從而讓我們在享受戶外活動的快樂時不會被陽光灼傷。
二氧化鈦能夠強(qiáng)烈吸收紫外線這個特點還賦予了它另一項奇妙的應(yīng)用，那就是能夠自我清潔的玻璃。在使用過程中，玻璃表面難免會吸附塵土和油污，影響玻璃的透光性能。室內(nèi)的玻璃我們還可以經(jīng)常清洗，室外的玻璃一旦沾染上污垢就很讓人頭疼。你可能期待雨水能夠?qū)⑦@些污垢清洗掉，然而一場大雨過后，你會很失望地發(fā)現(xiàn)，污垢不僅仍然附著在玻璃表面，而且在它們周圍還聚集了許多水滴，結(jié)果玻璃反而變得更臟了。其實這主要是因為污垢并不喜歡水，因此當(dāng)雨水落到玻璃表面上時，它們不僅不會溶解在雨水中被帶走，而且還會阻礙雨水在玻璃上的流動，來不及流走的雨水就形成許多水滴聚集在污垢的周圍。
如果在玻璃的表面添加一層二氧化鈦，我們會驚喜地發(fā)現(xiàn)，吸附到玻璃上的污垢不僅少了很多，而且遇到下雨，很快就被雨水沖走了。因為當(dāng)光照到二氧化鈦表面時，二氧化鈦吸收了其中的紫外線，自身的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，變得對水更加親近。這樣一來雨水會更容易滲透進(jìn)它和污垢之間的縫隙而將污垢沖刷掉。而且，吸收了紫外線的二氧化鈦變得非?；顫?，會和吸附在玻璃表面的油脂等有機(jī)物的污垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，讓它們變得更加易溶于水，甚至直接變成氣體揮發(fā)掉。有科學(xué)家做過實驗，在二氧化鈦表面涂上一薄層脂肪酸，然后用紫外線照射，過了一段時間，脂肪酸全部變成二氧化碳跑掉了?；瘜W(xué)和物理的作用雙管齊下，使得污垢很難在二氧化鈦表面安營扎寨。正因為如此，表面添加了二氧化鈦的玻璃比普通玻璃要更容易保持清潔。
當(dāng)然，二氧化鈦的奇妙應(yīng)用還不止這些。近些年來，隨著研究的深入，科學(xué)家們不斷挖掘出它更多的重要應(yīng)用。默默奉獻(xiàn)的二氧化鈦，帶給我們的不僅僅是賞心悅目的白色，還有更加美好的生活。
來源：中國數(shù)字科技館