Protezione solare e nanoparticelle: il lato nascosto del TiO₂

Il biossido di titanio (TiO₂) è tra i materiali più utilizzati in cosmetica e in numerosi prodotti industriali. Il motivo? Il suo alto indice di rifrazione e la capacità di assorbire i raggi UV, caratteristiche che lo rendono ideale come pigmento bianco e come filtro solare nelle creme protettive.

Il TiO2 viene spesso sottoposto a silanizzazione superficiale, un trattamento che migliora la dispersione delle nanoparticelle, ne favorisce la compatibilità con le matrici e, soprattutto, dovrebbe ridurre la formazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) sotto esposizione alla luce. I ROS sono radicali liberi, molecole ossidanti molto aggressive e dannose per la pelle.

Ma la domanda resta: basta questo trattamento per neutralizzare il problema?

Una ricerca che ribalta le aspettative

Il gruppo di Chimica dei Materiali del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII – UniTrento), in collaborazione con il team del Prof. Massimiliano D’Arienzo dell’Università di Milano-Bicocca, ha pubblicato sulla prestigiosa rivista Angewandte Chemie uno studio che getta nuova luce sulla questione: “Singlet Oxygen Photocatalytic Generation by Silanized TiO₂ Nanoparticles” (link all’articolo).

Il risultato centrale è sorprendente: la silanizzazione non elimina la formazione di specie reattive, ma favorisce la generazione di ossigeno singoletto (¹O₂), una forma altamente reattiva e ossidante dell’ossigeno molecolare.

Come funziona?

La silanizzazione modifica la coordinazione dei centri superficiali di titanio. Questo processo stabilizza difetti elettronici Ti³⁺ nelle regioni sotto-superficiali del materiale che, sotto irraggiamento UV e vicino infrarosso, trasferiscono energia all’ossigeno molecolare adsorbito, che viene promosso selettivamente allo stato eccitato di ossigeno singoletto.

Non si tratta quindi di un trasferimento di elettroni (tipico in fotocatalisi), ma di un trasferimento energetico di tipo Förster (FRET), un fenomeno raro e particolarmente interessante in questo contesto.

Dalla cosmetica alla green chemistry

Per testare concretamente il comportamento del materiale, il TiO₂ silanizzato è stato usato come fotocatalizzatore per la sintesi di epossido di limonene a partire da limonene. Il risultato? Una reazione selettiva ed efficiente, che dimostra come questo materiale possa trovare applicazioni anche nella sintesi organica sostenibile (Green Chemistry).

Questo doppio volto del TiO₂ silanizzato è cruciale:

• Da un lato solleva interrogativi sulla sicurezza d’uso nei cosmetici, dove la formazione di ossigeno singoletto potrebbe avere effetti indesiderati sulla pelle;
• Dall’altro, offre nuove opportunità per orientare la reattività del materiale verso prodotti di interesse industriale ad alto valore aggiunto. L’epossido di limonene infatti è precursore del poli-limonencarbonato, un polimero bio-derivato con interessanti proprietà fisico-chimiche che lo rendono una alternativa green ai policarbonati derivati dal petrolio. 

Questa ricerca rappresenta quindi un passo avanti importante nel campo della sicurezza, ma soprattutto per la comprensione e controllo dei meccanismi fondamentali di reazione dei materiali fotoattivi per consentire il loro utilizzo nel campo delle ossidazioni selettive. Questa è la chiave per l’effettiva sostituzione delle raffinerie petrolifere con le più sostenibili e green raffinerie solari.