Jak wyjaśnia uczony, fotokatalizatory heterogeniczne to materiały, które w obecności światła umożliwiają przebieg różnych użytecznych procesów, głównie reakcji utleniania i redukcji. Materiałami takimi mogą być na przykład tlenki czy siarczki metali przejściowych.

"Prawdziwą karierę robi dwutlenek tytanu, TiO2. Z powodzeniem może on fotokatalizować degradację zanieczyszczeń wody i powietrza. Co ważne, końcowymi produktami takiej degradacji są prawie zawsze dwutlenek węgla, woda i ewentualnie proste aniony nieorganiczne" - mówi dr hab. Macyk.

Dodaje, że dwutlenek tytanu jest tani, nietoksyczny i trwały - nie zużywa się w wyniku ubocznych procesów fotochemicznych czy termicznych.

"Na rynku pojawia się coraz więcej samoczyszczących się szyb, farb lub tynków. Większość z tych produktów zawiera właśnie dwutlenek tytanu. Ma on jednak jedną poważną wadę - absorbuje tylko promieniowanie ultrafioletowe, zatem proces fotokatalityczny może zajść tylko podczas naświetlania takim światłem" - opowiada badacz.

Jednym z kierunków jego badań jest uzyskanie fotokatalizatorów na bazie TiO2, które byłyby aktywne również podczas naświetlania światłem widzialnym. Wyjaśnia, że cel ten, czyli tzw. fotosensybilizację dwutlenku tytanu, można osiągnąć domieszkując dwutlenek tytanu lub modyfikując jego powierzchnię różnymi związkami organicznymi, jonami i kompleksami metali.

Opracowywane w laboratoriach naukowców fotokatalizatory mogą być użyteczne nie tylko w procesach detoksykacji wody i powietrza. Można je wykorzystać również do niszczenia komórek nowotworowych i mikroorganizmów. Co ciekawe, praktycznie te same materiały i zachodzące z ich udziałem procesy umożliwiają budowę ciekawych urządzeń optoelektronicznych, np. sterowanych światłem przełączników i bramek logicznych. Fotoelektroda wytworzona z modyfikowanego TiO2 może zachowywać się jak prosta bramka logiczna. "Potrafi" np. rozpoznać barwę światła.

Dla chemika bardzo interesujące jest poznawanie mechanizmów procesów fotokatalitycznych oraz możliwość sterowania ich przebiegiem. Inaczej należy zaprojektować fotokatalizator, który ma służyć utlenieniu np. pestycydu zanieczyszczającego wodę, a inaczej materiał, przy pomocy którego chcemy prowadzić syntezę jakichś związków organicznych. Jeszcze inny będzie fotokatalizator służący do fotoinaktywacji bakterii.

Dr Macyk prowadzi badania, których celem jest zbadanie możliwości kontroli względnych wydajności różnych procesów fotokatalitycznych, w szczególności fotogenerowania tzw. aktywnych form tlenu, które odgrywają kluczową rolę w niszczeniu komórek.

"Badania prowadzimy we współpracy z grupami badawczymi Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ oraz Wydziałem Lekarskim UJ CM. Skuteczność niszczenia komórek testujemy głównie na komórkach nowotworu skóry oraz wielu różnych szczepach bakterii. Sama synteza fotokatalizatorów może być prosta lub trudna - istnieje cała gama metod ich otrzymywania" - mówi dr hab. Macyk.

Zwraca przy tym uwagę, że fotokatalizatora nie można traktować jak prostej cząsteczki o określonym wzorze sumarycznym i strukturalnym. Jest to ciało stałe, o którego właściwościach decyduje cała masa parametrów. Dlatego opisanie materiału wzorem chemicznym, np. TiO2, ZnO czy CdS, nie określa go jednoznacznie.

"Mamy tu więc do czynienia nie tylko z czystą chemią, ale również z inżynierią materiałową. Problemem jest to, że w gruncie rzeczy nie jesteśmy w stanie przewidzieć jak powinniśmy zsyntezować fotokatalizator idealnie nadający się do danego zastosowania. Starając się zrozumieć mechanizmy fotokatalizy próbujemy nauczyć się w pewnym stopniu przewidywać właściwości nowego fotokatalizatora. Istnieją korelacje między np. strukturą krystaliczną, wielkością cząstek i ogólnie morfologią materiału, chemią jego powierzchni, ilością i rodzajem domieszek, a wydajnością procesów przeniesienia ładunków, czasem życia stanów wzbudzonych" - kontynuuje wyjaśnienia naukowiec.

Zaznacza, że przystępując do syntezy nowego fotokatalizatora uczeni działają w dużej mierze po omacku. Jednak fotokatalizatory wykorzystywane są coraz powszechniej. Nie są już tylko wizją przyszłości - już znalazły wiele zastosowań.

Jak wylicza rozmówca PAP, produkowane są szyby samooczyszczające się, podobne właściwości mają farby stosowane głównie na zewnątrz, gdzie natężenie światła ultrafioletowego jest na tyle duże, aby proces fotokatalityczny zachodził wystarczająco wydajnie. Powłoki fotokatalityczne stosuje się na glazurze. Filtry pokryte fotokatalizatorem oświetlane lampą UV można spotkać w niektórych klimatyzatorach. Ta bogata gama zastosowań może w przyszłości poszerzyć się jeszcze o fotokatalizatory nie wymagające ultrafioletu - na rynek wchodzą już produkty działające w warunkach naświetlania światłem widzialnym, ale ich aktywność i trwałość pozostawiają jeszcze wiele do życzenia. Również medycyna czeka na nowe fotoleki.