金屬鈦，相信大家並不陌生，二氧化鈦被廣泛地用作白色顏料，而白色顏料之所以能夠產(chan) 生白色，是因為(wei) 顏料的粉末強烈地反射和散射著光線。當我們(men) 將白色顏料塗到某個(ge) 物體(ti) 的表麵時，我們(men) 希望用盡可能薄的一層顏料就能夠將物體(ti) 本身的顏色遮蓋掉，因此顏料粉末的反射和散射效率必須足夠高，那麽(me) 我們(men) 該如何提高反射和散射的效率呢？

　　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(men) 並不是直接把這些白色的粉末塗到物體(ti) 的表麵，而是把它和各種高分子材料混在一起製成油漆或者塗料，例如塗在汽車和家具表麵的白色油漆就是這樣製成的。它不僅(jin) 能夠提供白色，還能保護物體(ti) 表麵免受磨損或腐蝕。

　　如果我們(men) 選擇玻璃粉來生產(chan) 這樣的白色油漆，就會(hui) 遇到一個(ge) 很奇怪的現象：盡管玻璃粉本身潔白無暇，製成的塗料卻又變得像玻璃一樣無色透明，結果物體(ti) 表麵塗上塗料之後還是原先的顏色。而如果我們(men) 用二氧化鈦的粉末去代替玻璃粉，不管物體(ti) 原先是紅色、藍色或是綠色，隻要塗料輕輕一刷，全部都被白色覆蓋了。同樣是白色顏料，為(wei) 什麽(me) 會(hui) 有這麽(me) 大的差異呢？

　　光學原理告訴我們(men) ，對於(yu) 兩(liang) 種不同的材料，如果光在它們(men) 之中分別傳(chuan) 播時感受到的差異越大，那麽(me) 光在二者界麵上就越容易發生反射和散射。用更為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 的語言描述就是，兩(liang) 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(men) 僅(jin) 僅(jin) 是將白色顏料本身製成粉末，那麽(me) 反射和散射是發生在空氣和顏料的界麵上，而在常見的各種材料中，空氣擁有最低的折射率，數值接近1。不過，這隻是針對可見光而言。對於(yu) 其他波長的電磁波，材料的折射率可以小於(yu) 1，例如常見材料對X射線的折射率通常小於(yu) 1。因此，充當白色顏料的材料不僅(jin) 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(chan) 生最明顯的白色。

　　玻璃的折射率在1.5左右，這個(ge) 數值並不算太低。然而如果我們(men) 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，當光穿過玻璃進入高分子材料時，並不會(hui) 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麵上會(hui) 有4%左右被反射，但是光在玻璃和折射率為(wei) 1.4的高分子材料的界麵上隻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麽(me) 強烈。因此當我們(men) 把玻璃粉和高分子材料混合得到的塗料塗在物體(ti) 表麵時，大部分的光其實都透過了塗料，所以這層塗料看上去是透明的。不僅(jin) 玻璃如此，還有許多常見的能夠產(chan) 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(chan) 出來的白色油漆或者塗料，白色的效果同樣會(hui) 比較差。

　　為(wei) 了保證白色顏料在油漆和塗料中能夠正常發揮作用，我們(men) 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(zhong) 多候選者中脫穎而出的原因。它有著高達2.7的折射率，當然，二氧化鈦有多種晶體(ti) 形式，最常用於(yu) 白色顏料的是金紅石和銳鈦礦這兩(liang) 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(yu) 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2.57，一些半導體(ti) 材料的折射率在3~4之間。

　　光在經過空氣和二氧化鈦的界麵時，被反射的光的比例高達20%，即便把二氧化鈦和折射率為(wei) 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烈的反射和散射。高透光性與(yu) 高折射率的完美結合，使得二氧化鈦成為(wei) 白色顏料的不二選擇。雖然二氧化鈦遲至20世紀初才開始被大量用作白色顏料，但其優(you) 異的性能使得它很快占據了白色顏料的主導地位。目前，全世界每年有數百萬(wan) 噸的二氧化鈦被生產(chan) 出來，這其中絕大部分都被用作了白色顏料。

　　二氧化鈦不僅(jin) 被大量用作油漆和塗料中的白色顏料，還被經常添加到食物、藥品和化妝品中，讓它們(men) 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(hui) 在配料表中發現二氧化鈦的身影。我們(men) 無需擔心進入人體(ti) 的二氧化鈦會(hui) 損害我們(men) 的健康，到目前為(wei) 止，各種研究都認為(wei) 二氧化鈦並不會(hui) 對人體(ti) 造成明顯的負麵影響。動物實驗表明，吸入二氧化鈦顆粒能夠導致肺癌，但目前尚未在人體(ti) 中證實，因此國際癌症研究機構將其列為(wei) 二類B級致癌物，即有可能對人體(ti) 有致癌作用。另外一些研究人員認為(wei) ，尺寸更小的二氧化鈦納米顆粒由於(yu) 性質更為(wei) 活潑，安全性需要進一步的評估。但用於(yu) 白色顏料的二氧化鈦顆粒較大，化學性質穩定，因此通常被認為(wei) 是安全的。

　　如果你認為(wei) 二氧化鈦隻能用作白色顏料，那未免太小瞧它了。它還能幫助我們(men) 實現許多更為(wei) 重要的功能。二氧化鈦有一個(ge) 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，卻能強烈地吸收其中的紫外線。於(yu) 是人們(men) 把它添加到防曬霜中，讓它不僅(jin) 能夠將可見光反射、散射掉，還能夠對皮膚危害更大的紫外線進行吸收，從(cong) 而讓我們(men) 在享受戶外活動的快樂(le) 時不會(hui) 被陽光灼傷(shang) 。

　　二氧化鈦能夠強烈吸收紫外線這個(ge) 特點還賦予了它另一項奇妙的應用，那就是能夠自我清潔的玻璃。在使用過程中，玻璃表麵難免會(hui) 吸附塵土和油汙，影響玻璃的透光性能。室內(nei) 的玻璃我們(men) 還可以經常清洗，室外的玻璃一旦沾染上汙垢就很讓人頭疼。你可能期待雨水能夠將這些汙垢清洗掉，然而一場大雨過後，你會(hui) 很失望地發現，汙垢不僅(jin) 仍然附著在玻璃表麵，而且在它們(men) 周圍還聚集了許多水滴，結果玻璃反而變得更髒了。其實這主要是因為(wei) 汙垢並不喜歡水，因此當雨水落到玻璃表麵上時，它們(men) 不僅(jin) 不會(hui) 溶解在雨水中被帶走，而且還會(hui) 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汙垢的周圍。

　　如果在玻璃的表麵添加一層二氧化鈦，我們(men) 會(hui) 驚喜地發現，吸附到玻璃上的汙垢不僅(jin) 少了很多，而且遇到下雨，很快就被雨水衝(chong) 走了。因為(wei) 當光照到二氧化鈦表麵時，二氧化鈦吸收了其中的紫外線，自身的化學性質發生了變化，變得對水更加親(qin) 近。這樣一來雨水會(hui) 更容易滲透進它和汙垢之間的縫隙而將汙垢衝(chong) 刷掉。而且，吸收了紫外線的二氧化鈦變得非常活潑，會(hui) 和吸附在玻璃表麵的油脂等有機物的汙垢發生化學反應，讓它們(men) 變得更加易溶於(yu) 水，甚至直接變成氣體(ti) 揮發掉。有科學家做過實驗，在二氧化鈦表麵塗上一薄層脂肪酸，然後用紫外線照射，過了一段時間，脂肪酸全部變成二氧化碳跑掉了。化學和物理的作用雙管齊下，使得汙垢很難在二氧化鈦表麵安營紮寨。正因為(wei) 如此，表麵添加了二氧化鈦的玻璃比普通玻璃要更容易保持清潔。

　　當然，二氧化鈦的奇妙應用還不止這些。近些年來，隨著研究的深入，科學家們(men) 不斷挖掘出它更多的重要應用。默默奉獻的二氧化鈦，帶給我們(men) 的不僅(jin) 僅(jin) 是賞心悅目的白色，還有更加美好的生活。

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