Dit hoeft niet meer in de was

Technologie Chinese onderzoekers maakten katoen dat zichzelf reinigt met licht en lucht: zonder wasmiddel. Het moet wel eerst in een badje met titaniumdioxide.

Michiel van Nieuwstadt

Het T-shirt dat je nooit meer hoeft te wassen of zelfs maar uit te doen is een stap dichterbij. Chinese onderzoekers maakten in het lab stukjes katoen die zichzelf reinigen met zonlicht en een beetje water uit de lucht. Ze dompelden het katoen onder in een alcoholachtige vloeistof met titaniumdioxide en andere minuscule deeltjes van tien miljoenste millimeter (10 nanometer) en kleiner. De publicatie is online verschenen in Applied Materials and Interfaces Journal (november 2011), een wetenschappelijk tijdschrift van de American Chemical Society.

Kristalvormig titaniumdioxide wordt al langer gebruikt als basis voor zelfreinigende coatings op muren en ramen. Door de kristallen op te breken tot stukjes van enkele tientallen nanometers wordt de stof per gram veel reactiever. Onder invloed van zonlicht vormt het titaniumdioxide uit water zeer reactieve moleculen, zogeheten vrije radicalen. Die doden bacteriën en breken vuilresten af.

Voor deze fotokatalyse met titaniumdioxide is doorgaans ultraviolet licht nodig. Door kleine deeltjes titaniumdioxide te combineren met zilverjodide en stikstof, breidden Deyong Wu (Hubei University for Nationalities in Enshi) en Mingce Long (Jiao Tong University in Shanghai) de werking uit naar het zichtbare deel van het lichtspectrum.

Lomp proces

“Hier is werkelijk een stap vooruit gemaakt”, zegt Paul Kiekens, hoogleraar Textielkunde aan de Universiteit van Gent. “Titaniumdioxide werd al toegepast in zelfreinigende en bacteriedodende coatings op ziekenhuismuren, in tapijten en op ramen. Tot nu toe werkte het alleen goed onder invloed van ultraviolet licht. Voor een muur die buiten in de zon staat is dat voldoende, maar ultraviolet licht vormt maar een klein deel van alle licht in het spectrum van de zon. Voor een kledingstuk is dat niet genoeg. Dat is niet de hele dag buiten. Bovendien is het oppervlak kreukelig en daardoor moeilijker bereikbaar voor zonnestralen. De uitbreiding van de fotokatalytische werking naar het zichtbare deel van het licht is daarom heel interessant.”

Het Nederlandse bedrijf Ten Cate, producent van zonwering en tentdoeken, noemt de toepassing van titaniumdioxide in zelfreinigende materialen “in het algemeen interessant”. Maar de technici van de beursgenoteerde onderneming zijn niet wild enthousiast over de Chinese publicatie. De onderdompeling van het katoen is volgens de woordvoerder een lomp proces. “Als je textiel onder de microscoop legt, dan zie je een driedimensionaal open landschap. Wanneer je daarin titaniumdioxide nanodeeltjes aanbrengt door het onder te dompelen, dan heb je van dit kostbare materiaal heel grote hoeveelheden nodig. Die methode bestaat al honderden jaren, maar is duur en milieu-onvriendelijk.”

Ten Cate ontwikkelt inkjettechnologie waarmee de werkzame stoffen op textiel alleen daar worden aangebracht waar ze nodig zijn, “op de toppen van het driedimensionale berglandschap” dat zichtbaar wordt als je katoen onder de microscoop legt. “Onder die voorwaarde kan toepassing van deze technologie voor ons interessant zijn, bijvoorbeeld in textiel dat je buiten gebruikt voor zonnewering.”

Voorlopig ziet Ten Cate meer in zelfreiniging van textiel op basis van het zogeheten lotuseffect. Voor deze variant, vernoemd naar de waterafstotende bladeren van de lotusplant, zijn chemische reacties en zonlicht niet nodig. Druppels rollen van een coating af en nemen het vuil mee.

Oranje kleurstof

Deyong Wu en Mingce Long verwijderden een vettige oranje kleurstof onder invloed van zonlicht binnen twee uur voor driekwart uit het katoen dat zij behandelden. Bij onderdompeling van het katoen in een suspensie van titaniumdioxide (zonder stikstof of zilverjodide), verdween na twee uur minder dan 20 procent van het vuil. Bij toevoeging van stikstof (maar geen zilverjodide) ging 50 procent van de vuilresten eruit.

Kiekens legt uit dat de energie van ultraviolet licht elektronen losmaakt uit het titaniumdioxide. De negatieve lading van het elektron in een hogere energietoestand laat een positief geladen ‘gat’ achter en dat levert de energie om water uit de lucht te splitsen in zuurstof- en hydroxylradicalen. Deze radicalen reageren met vuil in de stof, tot koolstofdioxide en water dat in dampvorm kan verdwijnen.

De stikstof in het katoen helpt om de zogeheten ‘band gap’ van het titaniumdioxide te verlagen en de fotokatalytische werking te versterken. Daardoor kunnen niet alleen fotonen met een hoge energie (ultraviolet licht) elektronen losmaken, maar ook fotonen met wat minder energie (uit het zichtbare deel van het lichtspectrum). Als gevolg hiervan ontstaan meer radicalen. Kiekens: “De nabijheid van zilverjodide in het katoen versterkt dit effect nog verder. Waarschijnlijk zou je met andere metalen hetzelfde kunnen bereiken.”

Het katoen dat Deyong Wu en Mingce Long hebben ontwikkeld bleef werkzaam bij herhaald gebruik, een aanwijzing dat de katalysatoren in de stof bleven zitten. Zij hebben niet onderzocht wat er op lange termijn met deze materialen gebeurt.

Titaniumdioxide in ons voedsel, onze verven en ons textiel is al decennialang de normaalste zaak van de wereld. “In de textielindustrie wordt het materiaal op grote schaal gebruikt om kleding een matte uitstraling te geven”, zegt Myriam Vanneste, R&D-manager van het Belgische textielexpertisecentrum Centexbel. Nieuw is de toepassing van steeds kleinere en daardoor steeds reactievere deeltjes.

Duidelijk is dat deze nanodeeltjes op veel plaatsen in ons lichaam terecht kunnen komen, in de hersenen bijvoorbeeld en in cellen van de darmwand. Kiekens: “Binnen Europa bestaat er daarom grote twijfel over de vraag wat er gebeurt als deze nanomaterialen vrijkomen in het milieu. De vragen zijn terecht, we weten nog lang niet genoeg. In elk geval zie ik dat er in de markt veel veranderd is. Vijf jaar geleden maakten veel bedrijven reclame met de verwerking van nanotechnologie in hun producten. Niemand durft dat nog.”

Kiekens ontwikkelde zelf een coating die ervoor zorgt dat papier geen water meer doorlaat of doorweekt raakt. McDonald’s had belangstelling, maar de onrust die is ontstaan over nanotechnologie maakt het Kiekens soms lastig. “Vijf jaar geleden dachten we dat we met deze vondst de wereld zouden veroveren”, zegt hij. “Sindsdien is er veel veranderd.”