Barevný titan bez barev
anodizace a interference světla

Tento jev není trik a není ani novinka. Stojí na fyzice, kterou znáte z mýdlové bubliny nebo z olejové skvrny na vodě po dešti. Stojí na interferenci světla v tenké vrstvě. A v případě titanu se k ní dostaneme procesem, který se jmenuje anodizace.

V tomto článku se podíváme na to, jak anodizace funguje, jak se z bezbarvého kovu stane barevný předmět a kde se tahle technika v praxi využívá.

Co je anodizace

V prvním článku této série jsme si vysvětlili, že na povrchu titanu se přirozeně tvoří vrstva oxidu titaničitého TiO₂ o tloušťce kolem 5 nanometrů. Tato vrstva vzniká okamžitě po vystavení titanu vzduchu a sama se zastaví, jakmile dosáhne své stabilní tloušťky.

Anodizace je proces, kterým tuto přirozenou vrstvu uměle zesílíme. Místo 5 nanometrů můžeme řízeně vytvořit vrstvu silnou desítky až stovky nanometrů. A právě v tomto rozsahu tlouštěk se začne dít to, co tvoří barvy.

Princip je elektrochemický. Titanový předmět ponoříme do roztoku elektrolytu (kapaliny, která vede elektrický proud, typicky vodný roztok kyseliny nebo soli). Předmět připojíme ke kladnému pólu zdroje napětí, tedy se stane anodou. Do roztoku ponoříme ještě druhou elektrodu, obvykle z nerezi nebo platiny, kterou připojíme k zápornému pólu zdroje, tedy je katodou.

Když zapneme napětí, mezi anodou a katodou začne procházet proud. Elektrické pole v roztoku přitahuje záporně nabité ionty kyslíku směrem k titanové anodě. Tyto ionty putují skrz existující vrstvu TiO₂, dostávají se ke kovovému titanu pod ní a tam reagují s atomy titanu za vzniku dalšího TiO₂.

Vrstva TiO₂ tak roste hlavně zdola, na rozhraní mezi kovem a oxidem, ne shora. To je důležitý detail. Anodizace nepřidává oxid na povrch, ale tvoří ho z kovu, který už tam je. Předmět se proto v průběhu anodizace mírně ztenčuje, jak se z titanu pod povrchem stává oxid.

Proces se zastaví, když vrstva oxidu dosáhne určité tloušťky odpovídající napětí, které jsme zvolili. Vyšší napětí znamená silnější vrstvu, nižší napětí znamená tenčí vrstvu. Tento vztah je v rozumném rozsahu napětí téměř lineární, což znamená, že tloušťku vrstvy můžeme přesně kontrolovat. A jakmile umíme kontrolovat tloušťku, umíme kontrolovat i barvu.

Jak vznikají barvy

Tady přichází fyzikální část. Pojďme si vysvětlit, proč různě silné vrstvy oxidu vytvářejí různé barvy.

Když světlo dopadá na titanový předmět s vrstvou oxidu na povrchu, neodráží se jen z vnějšího povrchu této vrstvy. Část světla pronikne skrz oxid až k podkladovému kovovému titanu a odrazí se až tam. Vznikají tedy dva odražené paprsky: jeden z vnějšího povrchu vrstvy, jeden ze spodního povrchu vrstvy (tedy z rozhraní oxid-kov).

Oba paprsky se vracejí směrem k pozorovateli. A protože druhý paprsek urazil delší vzdálenost (proletěl tam a zpět skrz vrstvu oxidu), je vůči prvnímu paprsku posunut ve fázi. Tomu se říká fázový posun.

Když se oba paprsky sečtou, dělá se mezi nimi interference. V některých vlnových délkách jsou v souladu a navzájem se zesilují. V jiných vlnových délkách jsou v protifázi a navzájem se ruší. Které vlnové délky se zesílí a které potlačí, závisí přímo na tloušťce oxidové vrstvy.

A protože vlnové délce světla odpovídá barva, výsledkem je, že povrch s určitou tloušťkou vrstvy odráží převážně určité barvy. Tloušťka 60 nanometrů dává jednu barvu. Tloušťka 100 nanometrů dává jinou. Tloušťka 200 nanometrů dává další.

Tomuto jevu se říká interference v tenké vrstvě a je úplně stejný jako u mýdlové bubliny. Když foukáte mýdlovou bublinu a její stěna se postupně ztenčuje, vidíte na ní měnící se barvy. Důvod je stejný. Tloušťka tenké vrstvy se mění a s ní se mění barva, kterou bublina odráží. Stejný jev jste viděli v naší sérii o nerezi, kde svar na nerezi vytváří barvy v okolí (slámově žlutou, modrou, fialovou) přesně z tohoto důvodu. Oxidové vrstvy na nerezi mají stejnou fyzikální podstatu jako vrstvy na anodizovaném titanu.

Co znamenají konkrétní napětí a barvy

V praxi vypadá vztah mezi napětím a barvou přibližně takhle:

Při napětí kolem 10 až 15 voltů vzniká velmi tenká vrstva a povrch má bronzový až hnědavý nádech.

Mezi 20 a 25 volty se objevují fialové odstíny.

Kolem 30 voltů je dominantní modrá, často sytá a hluboká. To je nejčastější barva u titanových šperků a hodinek.

Kolem 40 voltů je modrá světlá až stříbřitá, mezi 50 a 60 volty vzniká zlatá a žlutá.

Mezi 65 a 80 volty se objevují růžové a fialové odstíny, nad 85 volty tyrkysová a zelená.

Tyto údaje jsou orientační. Přesná barva závisí i na složení elektrolytu, teplotě a době anodizace. Ale obecně platí, že znalý anodizér umí jednou nastavenou hodnotou napětí dosáhnout přesně té barvy, kterou potřebuje.

Důležité je, že tato škála barev je trvalá. Barva nevybledne na slunci, nesetře se, nesmyje se vodou. Vrstva oxidu titaničitého je chemicky stabilní a mechanicky tvrdá, takže drží na povrchu stejně dobře jako přirozená pasivní vrstva. Pokud se povrch nepoškrábe natolik, aby se vrstva mechanicky odstranila, barva vydrží desítky let.

Praktické využití anodizovaného titanu

Anodizace se na titan používá ze dvou důvodů, často současně.

Dekorativní použití. Šperky, hodinky, prsteny, doplňky, designové předměty. Titan je sám o sobě atraktivní materiál svou lehkostí a odolností, a anodizace mu přidává paletu barev, kterou by žádný jiný způsob úpravy nedokázal nabídnout. Žádné lakování, žádný pigment, jen řízená oxidace. Barva je součástí kovu, ne nános na jeho povrchu.

Funkční použití. Tloustější oxidová vrstva chrání povrch před opotřebením lépe než přirozená pasivní vrstva. Anodizovaný titan má vyšší tvrdost povrchu a lepší odolnost vůči otěru. Pro některé aplikace se anodizace používá nikoli pro barvu, ale pro funkční zvýšení odolnosti. Barva je v takovém případě vedlejší produkt.

Elektrická izolace. Vrstva TiO₂ je nevodivá. V některých aplikacích se anodizace používá k tomu, aby titanový povrch nevedl elektrický proud. To má význam například u elektrochemických senzorů, lékařských elektrod nebo v některých konstrukčních součástech, kde se chce zabránit galvanické korozi mezi titanem a jiným kovem.

Identifikace a značení. V průmyslu se anodizace používá pro barevné označení součástí. Různě barevné šrouby, kroužky a prvky se používají pro rychlou vizuální identifikaci typu, velikosti nebo materiálu. V leteckém průmyslu se barvou označují součásti podle určení.

Medicínské implantáty. V předchozím článku jsme zmínili, že anodizace se používá i jako povrchová úprava dentálních a kostních implantátů. V této aplikaci nejde primárně o barvu, ale o vytvoření tenké porézní vrstvy na nanometrové úrovni, která zlepšuje přilnavost buněk a urychluje osteointegraci. Některé moderní implantáty mají na svém povrchu nanopóry vytvořené řízenou anodizací.

Jak to vypadá v dílně

Anodizační vybavení není složité. Pro základní práci stačí stejnosměrný zdroj s nastavitelným napětím (typicky do 100 voltů), kelímek s elektrolytem (vodný roztok fosforečnanu, sody nebo kyseliny, podle požadované barevné palety), katoda z nerezi nebo platiny, a samozřejmě titanový předmět, který chceme upravit.

Příprava povrchu před anodizací je klíčová. Titanový předmět musí být dokonale čistý, bez mastnoty, prachu nebo jiných nečistot. I drobný otisk prstu může způsobit, že v daném místě bude vrstva oxidu jiná než ve zbytku, a barva nebude jednotná. Proto se titan před anodizací odmašťuje, oplachuje a často i jemně leptá kyselinou pro odstranění jakéhokoli povrchového znečištění.

Samotná anodizace pak trvá řádově desítky vteřin až jednotky minut. Krátký proces, jehož výsledek je ale viditelný okamžitě. Předmět vytažený z kelímku už má svou novou barvu.

Pro průmyslové aplikace, kde záleží na přesné a opakovatelné barvě, se používají automatizované anodizační linky s přesným řízením napětí, teploty a doby procesu. Pro umělecké nebo malosériové použití zvládne anodizaci i menší dílna se základním vybavením.

Limity techniky

Anodizace titanu má svá omezení, na která je dobré upozornit.

Barevná paleta je dána fyzikou, ne uměleckou volbou. Některé barvy jsou snadno dostupné (modrá, fialová, zelená), jiné jsou obtížnější (sytá červená je v interferenční paletě prakticky nedosažitelná). Pokud klient chce konkrétní barvu, je dobré nejprve ověřit, zda je v anodizačním rozsahu k dispozici.

Barva závisí i na úhlu pohledu. Stejný předmět vypadá z různých úhlů mírně jinak, protože dráha světla skrz oxidovou vrstvu se mění. To je pro některé aplikace výhoda (předmět „živě“ mění barvy při pohybu), pro jiné nevýhoda (barva není absolutně reprodukovatelná).

Mechanické poškození vrstvy znamená ztrátu barvy v poškozeném místě. Pokud se anodizovaný povrch poškrábe ostrým předmětem, v rýze zůstane čistý titan bez vrstvy, tedy v původní šedé barvě. Drobné škrábance lze opravit lokální reanodizací, ale jen u profesionála s odpovídajícím vybavením.

A konečně, anodizace funguje jen na titanu a několika dalších tzv. ventilových kovech (například hliník, niob, tantal, zirkonium). Na běžné oceli, nerezi, mosazi nebo mědi tato technika nefunguje, protože tyto kovy netvoří souvislou a rovnoměrnou oxidovou vrstvu, která by interferovala se světlem v žádaném rozsahu.

Závěr

Anodizace titanu je krásný příklad toho, jak hluboké pochopení materiálu vede k netriviálním aplikacím. Titan má přirozenou pasivační vrstvu o tloušťce 5 nanometrů. Když ji řízenou elektrochemií zesílíme na desítky až stovky nanometrů, vstoupíme do oblasti vlnových délek viditelného světla. A světlo začne s vrstvou interagovat způsobem, který vnímáme jako barvu.

Stejný materiál, stejný mechanismus pasivace, jen jiný způsob řízení tloušťky. Z funkční ochrany před korozí se stane dekorativní povrch. Z ochrany před chemickým prostředím se stane vizuální vlastnost. A vše bez pigmentu, laku nebo barviva.

V dalším a posledním článku této série si rozebereme, kdy titan v praxi dává smysl, a kdy je jen drahý šperk bez technického opodstatnění. Podíváme se na konkrétní aplikace a srovnáme titan s alternativními materiály.

Modrý titanový prsten, který se leskne v pouličním osvětlení, neobsahuje žádné modré barvivo. Modrá je v něm tlustá jen pár stovek atomů. A přesto je tam pevně, stabilně a viditelně.