Il biossido di titanio (TiO2) è ampiamente utilizzato per il suo alto indice di rifrazione e le proprietà di assorbimento dei raggi UV, in particolare nei pigmenti e nei filtri solari. La silanizzazione superficiale migliora la dispersione del TiO2, la compatibilità con le matrici e riduce la formazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) dannose. Nonostante l’uso diffuso, permangono importanti interrogativi sul comportamento fotoindotto di questo materiale dopo silanizzazione, in particolare sulla generazione di ossigeno singoletto (1O2), forma eccitata dell’ossigeno molecolare particolarmente reattivo e selettivo. Su tale aspetto, la letteratura è spesso inconcludente a causa dei diversi metodi e valutazioni indirette.
In questo ambito e in stretta collaborazione con il prof. Francesco Parrino dell’Università di Trento, un team di ricerca che include Pietro Mariani, Lorenzo Viganò, Francesca Cova, Irene Villa e Massimiliano D’Arienzo del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell'Università di Milano-Bicocca, ha recentemente pubblicato uno studio innovativo sulla prestigiosa rivista Angewandte Chemie [Wiley, Impact Factor 16.9, 2024 (Clarivate), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202414445] dal titolo “Singlet Oxygen Photocatalytic Generation by Silanized TiO2 Nanoparticles”.
L’aspetto innovativo centrale del lavoro risiede nella generazione di ossigeno singoletto tramite un meccanismo di trasferimento energetico da difetti elettronici stabilizzati. Infatti, la silanizzazione superficiale del TiO2 induce cambiamenti nella coordinazione dei centri di titanio superficiali e stabilizza difetti Ti3+ nella regione sotto-superficiale. Sotto irraggiamento con luce UV e NIR (vicino infrarosso), l’energia assorbita dalle nanoparticelle viene localizzata in tali centri Ti3+, che possono poi trasferire tale energia all’ossigeno molecolare adsorbito sulla superficie, promuovendolo selettivamente alla forma eccitata singoletto. Questo processo non coinvolge il trasferimento di elettroni, bensì un trasferimento energetico di tipo Förster (FRET), molto più selettivo e meno distruttivo rispetto ai meccanismi fotocatalitici classici.
A conferma della formazione di 1O2, gli autori propongono un sistema modello basato sulla epossidazione del limonene, un terpene abbondante e ben noto in chimica organica. La reazione, altamente selettiva, si è verificata solo in presenza della luce e del catalizzatore silanizzato, fornendo così una chiara prova sperimentale del ruolo attivo dell’ossigeno singoletto. Questo test non solo rafforza la validità del meccanismo proposto, ma dimostra anche il potenziale applicativo concreto di questa nuova tipologia di fotocatalizzatori in reazioni organiche di interesse industriale e ambientale. Infine, questo lavoro da un lato offre una nuova strategia per controllare la reattività del TiO2, indirizzandola verso prodotti desiderati e selettivi, dall’altro apre la strada ad ulteriori approfondimenti volti a far luce su eventuali problemi di sicurezza legati all’ampio utilizzo del TiO2 silanizzato nei prodotti cosmetici e per la cura personale