Гидроксиапатит, основная минеральная составляющая костей, в последнее время стал применяться, чтобы минимизировать воздействие тяжелых металлов на окружающую среду: после термической обработки под воздействием солнечного света он становится фотокаталитически активным и разлагает опасные химические вещества в воздухе, воде и почве.
Механизм этого процесса объяснила группа ученых под руководством д. ф.-м. н. Владимира Быстрова из Института математических проблем биологии РАН. По их данным, на свойства гидроксиапатита влияют дефекты кристаллической решетки. Ученые моделировали процессы, которые происходят при высокотемпературной обработке и дальнейшем облучении гидроксиапатита солнечным светом, и установили корреляцию концентрации вакансий кислорода в решетке с изменениями ширины запрещенной зоны (минимальной энергии, необходимой электрону для отрыва при поглощении кванта излучения). Именно этот процесс и делал материал катализатором, "магнитом" для загрязнений: ультрафиолетовое облучение приводит за счет поглощения фотонов к генерации электронно-дырочных пар, они-то и участвуют в каталитических процессах.
В необработанном гидроксиапатите все вакансии связаны с атомами кислорода из группы ОН. Запрещенная зона имеет значение 5 эВ (коротковолновой ультрафиолетовый диапазон). Солнечное излучение с такой длиной волны поглощается атмосферой, каталитические процессы не запускаются, поэтому обычный гидроксиапатит не фотокаталитичен. При обжиге с температурой 1000°С в гидроксиапатите образуются вакансии кислорода в фосфатных группах. Это дает запрещенную зону порядка 3,45 эВ. Здесь уже достаточно фотонов солнечного света в видимом диапазоне для того, чтобы материал стал фотокаталитически активным.
Результаты моделирования также предсказали, что вакансия только целой группы ОН может привести к широкой запрещенной зоне в области спектра 2,4-1,6 эВ. Если экспериментаторам удастся получить такие дефекты, появится новый фотокатализатор.