82.65.+r Surface and interface chemistry; heterogeneous catalysis at surfaces (for temporal and spatial patterns in surface reactions, see 82.40.Np; see also 82.45.Jn Surface structure, reactivity and catalysis in electrochemistry); Chemisorption/physisorption: ad
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The aim of this work is to further analyze the nature of the TiO2 passivation layer regarding structure, hydrophilicity and adsorption behavior, starting with the question how far metal and oxide properties are affected by the contact, regarding structural relaxation, atomic charges and work function. This determines how far the influence of metal has to be considered in simulations of TiO2 passivation layers. Mimicking the initial phases of implant contact with the biological environment, the adsorption of the inorganic ions on titanium oxides is to be investigated next, especially the influence of Ca2+ and HnPO4n-3 on the surface properties. Finally, biomolecule adsorption on TiO2 surfaces is investigated for understanding and improving their bioactivity.
Titanium and Titanium Dioxide
The properties of sharp interfaces formed between metallic titanium and a titanium dioxide layer with rutile or anatase structure and four different surface terminations were investigated. In all cases the work of separation is higher than the sum of surface energies, indicating the formation of an energetically very favorable interface region that glues the two phases together. The interface energy is negative, which means that for Ti and TiO2 bulk phases, mixing is energetically favorable.
The influence of the metal on the atomic and electronic structure of the oxide is limited to a few atomic layers. Depending on its modification, a passivation layer may give rise to up- (rutile) or downshift (anatase) of the work function of the underlying titanium metal.
Calcium and Phosphate
First principles molecular dynamics simulations in vacuum revealed stable bonds between Ca2+ and HnPO4n-3 ions and the investigated TiO2 surfaces. Ca2+ ions bind to 2–4 surface oxygen atoms, preferring peripheral positions as found on both rutile surfaces where adsorption energies reach 9 eV per ion. In solution the hydration energy drastically reduces these values.
Phosphate adsorbs to the TiO2 surface, but the adsorption energy is much lower than that of Ca2+ ions. The approach of phosphate is highly orientation dependent and hampered by the terminal oxygen atoms.
Both ab initio and force field simulations indicate enrichment of Ca2+ ions close to the surface, most of them directly bound to it, which results in a net positive charge. As the adsorption of phosphate takes longer and is strongly reinforced by adsorbed Ca2+ ions, it has become obvious that Ca2+ ions initiate the adsorption of calcium phosphate clusters to titania surfaces. However, the TiO2 surface does not necessarily act as a nucleation site for calcium phosphate crystallization, as adsorbed Ca2+ ions show reduced affinity towards phosphate compared to free ions in solution.
Collagen and Mechanical Stress
Coinciding force distance relations have been obtained for a variety of restraint force constants, expansion rates and environments. The resulting Young’s moduli are in the range of experimental values both at low and high strain ranges. For low strains the calculated Young’s modulus of about 2 GPa is comparable to experimental values between 3 and 5 GPa. For high strains it reaches 10 GPa. The Young’s moduli can be assigned to three different mechanisms of stretching, affecting the macroscopic linearity, the torsional angles and the bond lengths.
Chondroitin Sulfate (CS) and Hyaluronic Acid (HA)
A force field model for CS and HA could be established that reproduced experimental torsion angles and showed the same free energy surface (FES) as an ab initio model. Hydration affects the overall FES, but does not alter the position of the energetic minima. Stabilization of the conformation via bridging water molecules as suggested by other works is not necessary.
Both glycosaminoglycans adsorb to a hydroxylated rutile (100) surfaces despite the negative net charge both on surface and adsorbate. The presence of Na + ions is enough to compensate for the negative surface charge and to allow for adsorption. Ca2+ ions form additional bridges between negative groups on the surface and in the adsorbate.
Einige Oberflächenstrukturen, die sogenannten aktiven Zentren, sind Katalysatoren für heterogene Reaktionen. Ihre Beständigkeit ist von Art und Zusammensetzung der Phasengrenze abhängig. Eine Wechselwirkung mit reaktiven Molekülen ändert die Oberfläche durch Auflösung, Adsorption oder Oberflächendiffusion. In dieser Arbeit werden die Änderungen der Oberflächenaktivität und –struktur von Gold und Platin nach der Behandlung mit den Hydroxyl-Radikalen aufgezeigt.
Die elektrochemische Aktivität von Platin gegenüber Hydrochinon, K3Fe(CN)6 und [Ru(NH3)6]Cl2 wurde durch die Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen nicht beeinflusst. Die Oberfläche wurde allerdings, durch die Bildung einer Oxidschicht, rauer. Die Oxidschichtbildung konnte zyklovoltammetrisch und potentiometrisch nachgewiesen werden. Im Verlauf der Wechselwirkung von H2O2 mit Platin ging Platin in Lösung (ICP-AES).
Bei Gold wurden im letzten Jahrzehnt Oberflächenstrukturen mit vielfach erhöhter Aktivität nachgewiesen. Die Experimente zeigten, dass Hydroxyl-Radikale die reaktiven Goldstrukturen (aktiven Zentren) selektiv beeinflussen. Die elektrokatalytische Sauerstoffreduktionsreaktion und die defektorientierte Platinabscheidung wurden durch die vorherige Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen inaktiver. Der Keimbildungsmechanismus blieb hingegen unverändert (instantaneous). Dies wurde mit Hilfe der Zyklovoltammetrie und der Chronoamperometrie nachgewiesen. Topographische Experimente mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) zeigten ein Platinwachstum auf den oberen Teilen der polykristallinen polierten Goldelektrode. Verschiedene Politurmethoden (fein und grob) wiesen zudem eine komplett unterschiedliche Aktivität und Reproduzierbarkeit auf. Mit einer groben Politur konnte eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit erreicht werden.
Die Identifizierung chemisch aktiver Zentren ist sehr reizvoll. Mit Hilfe von AFM Experimenten konnte die Auflösung von Gold direkt verfolgt werden und damit die aktiven Zentren charakterisiert werden. Morphologische Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop belegen eine selektive Änderung der Kristallite und Korngrenzen nach der Wechselwirkung einer ausgeheilten Goldoberfläche mit Hydroxyl-Radikalen (in- und ex-situ). Es kann angenommen werden, dass die selektive Oberflächenänderung bei Gold durch die inhomogene Verteilung der Elektronendichte und verschiedene Bindungszustände der Oberflächengoldatome beeinflusst ist. Herausstehende Kristallstrukturen sind nach der Wechselwirkung mit den Hydroxyl-Radikalen kleiner und die Korngrenzen zwischen den Goldkristallen tiefer. Die nach der einmaligen elektrochemischen Zyklisierung auftretenden Oberflächenänderungen sind den Änderungen nach Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen ähnlich. Ein mehrmaliges Zyklisieren führt hingegen zu ein er deutlich veränderten Oberflächenstruktur.