在此过程中，高温退火炉的主要功能是诱导关键的结构相变。通过阳极氧化产生的二氧化钛（$TiO_2$）纳米管最初处于无序的无定形状态，缺乏先进应用所需的电子特性。通过将材料加热到450°C，可以提供重排分子形成高度有序的锐钛矿晶相所需的热能。
退火过程就像一个激活开关。它将纳米管从无序、非活性结构转化为能够驱动复杂化学反应的高性能半导体。
从无序到有序：相变
这种热处理的根本原因是为了改变材料内部原子的排列方式。
初成状态的局限性
当二氧化钛纳米管通过阳极氧化首次形成时，它们的原子结构是随机和无序的。
这被称为无定形状态。虽然纳米管的物理形状存在，但材料缺乏高效电子移动所需的内部晶格。
热能的作用
将纳米管加热到450°C并非随意选择；这是激活原子的特定能量阈值。
在此温度下，钛和氧原子以足够的能量振动，从而打破其无序的键。它们会自发地重新排列成热力学稳定、重复的模式，即锐钛矿晶相。
为什么锐钛矿相很重要
从无定形到锐钛矿的转变不仅仅是外观上的改变；它极大地改变了材料与能量的相互作用方式。
优越的半导体性能
锐钛矿相的有序晶格有利于更好的载流子迁移率。
与会捕获电子的无定形状态不同，结晶锐钛矿结构允许高效的能量传输。这使得纳米管阵列成为功能性半导体。
增强的催化活性
锐钛矿相的结构规整性在纳米管表面产生了活性位点。
这种结构顺序直接决定了材料加速化学反应的能力。没有这种晶体结构，该材料对于大多数先进应用来说将是化学惰性的。
对声动力学疗法的影响
这种相变的目标是实现特定的医疗应用，特别是声动力学疗法。
高效的活性氧（ROS）产生
为了使声动力学疗法有效，材料必须产生活性氧（ROS）。
锐钛矿相优越的半导体性能显著提高了ROS的产生效率。这种生物化学活性是该疗法治疗目标区域的机制，使得退火步骤对于临床应用至关重要。
理解利害关系：省略的代价
虽然增加高温处理步骤会增加制造的复杂性，但为了性能是不可或缺的。
跳过退火的后果
如果省略热处理，纳米管将保持无定形状态。
在这种状态下，它们将无法表现出必要的催化活性。该装置在物理上可能看起来像一个功能性的纳米管阵列，但实际上无法产生治疗所需的活性氧。
为您的目标做出正确的选择
为确保您的二氧化钛纳米管阵列按预期运行，请考虑您的工艺与目标之间的以下对齐：
- 如果您的主要重点是结构形成：您可以通过单独的阳极氧化实现所需的形状，但材料将缺乏电子功能。
- 如果您的主要重点是声动力学疗法：您必须优先考虑450°C的退火步骤，以确保转化为锐钛矿相以最大化ROS的产生。
被动纳米结构和活性治疗设备之间的区别完全在于成功执行此热处理。
总结表：
| 特征 | 无定形TiO2（初成） | 锐钛矿相（450°C退火后） |
|---|---|---|
| 原子结构 | 无序/随机 | 高度有序的晶格 |
| 电子状态 | 绝缘/捕获电子 | 高性能半导体 |
| 催化活性 | 化学惰性 | 高（活性表面位点） |
| ROS产生 | 低效 | 针对声动力学疗法优化 |
| 相稳定性 | 亚稳态 | 热力学稳定 |
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参考文献
- Yue Sun, Lan A. Gold nanoparticle decoration potentiate the antibacterial enhancement of TiO2 nanotubes via sonodynamic therapy against peri-implant infections. DOI: 10.3389/fbioe.2022.1074083
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
