钛是大家并不陌生的一种金属，它重量轻却又强度高，而且耐腐蚀，可以用来生产高性能的合金。但世界上每年开采出来的钛绝大部分并不是被用于合金材料，而是与氧元素结合变成一种化合物——二氧化钛。那么二氧化钛有什么用途呢？答案可能会让很多人意想不到，那就是白色颜料。事实上，我们生活中几乎所有白色的物体，例如建筑、家具、塑料、纸张甚至牙膏、药物和化妆品，都离不开二氧化钛的贡献。
为什么二氧化钛会被如此广泛地用作白色颜料呢？这是因为它具备了两个非常重要的特点，下面就让我们一起来了解一下吧。
白色颜料何处寻
大家都知道，我们的眼睛能够感受到的可见光，是波长在0.4~0.8微米的电磁波。在这个区间，不同波长的光会使我们感觉到不同的颜色。波长从短到长，我们会依次感受到紫色、蓝色、绿色、黄色和红色。太阳光中各种颜色的光的强度相差不多，因此当它进入眼睛时，我们感受到的是各种颜色相互叠加的结果——白色。
当阳光照到某个物体上时，有的时候能够顺利穿过它，这样的物体在我们眼中就是无色透明的，例如水和玻璃；而另外一些情况下，这个物体中的某些化学物质能够选择性地吸收某个波长的光，将这个波长的光“扣留”，而其他光要么穿过要么被反射，于是在我们的眼中，这样的物体就带上了不同的颜色。这样的化学物质就可以用作颜料或者染料。例如，叶片中的叶绿素能够强烈吸收阳光中的蓝光和红光，将绿光放过，因此它可以被用作绿色的颜料。类似地，我们想得到红色的颜料，就要去寻找那些能够尽可能将蓝光和绿光吸收掉的物质，胡萝卜素就是一个不错的选择。
那么白色的颜料该去何处寻觅呢？答案是：到无色透明的材料中去找。事实上，二氧化钛能够成为重要的白色颜料所具备的第一个特点，就是对任何波长的可见光都没有明显吸收作用，因而是高度透明的。
有的朋友可能会觉得很奇怪，一种材料怎么可能既无色透明又是白色的呢？其实，白色与无色透明不仅不矛盾，还像是一枚硬币的正反两面那样不可分割。例如最常见的透明材料玻璃，我们完全可以将它变成白色的。不信就跟我一起动手做一个简单的实验吧。
玻璃的魔术
如果把一块厚度为1厘米的玻璃板放到一张画报上，我们会观察到什么？显然，透过玻璃，我们可以清晰地看到画报上色彩各异的图案。因为玻璃是无色透明的，所以光会顺利穿过玻璃到达画报的表面再被反射回来。画报表面的各种颜料选择性地吸收了可见光中不同波长的光，因此透过玻璃我们会在不同的区域看到不同的色彩。
现在我们把这块玻璃板移走，换成20块厚度为0.5毫米的玻璃板叠放到画面上，这时我们会惊奇地发现，尽管玻璃的厚度没有变化，覆盖在玻璃下面的图案却变得模糊了许多，这又是为什么呢？
图1 虽然玻璃本身高度透明，但当若干块玻璃叠加在一起时，众多玻璃与空气界面的存在使得大部分入射光被反射，因此我们无法清晰看到覆盖在玻璃下面的物体。
光照射到玻璃上时会顺利穿过玻璃到达压在它下面的物体，但实际上，还有一小部分光没有进入玻璃，而是在玻璃的上表面，也就是被玻璃和空气的界面反射回去了。只不过被反射的光很少，计算表明，只有大约4%的光会被玻璃的上表面反射，这么一点点反射光很难被察觉。
但是当20块厚度为0.5毫米的玻璃叠在一起时，情况就发生了变化。乍一看，这些叠在一起的玻璃与一整块玻璃板没什么区别，因为总的厚度没有变化。但实际上我们把这些玻璃叠在一起时，很难让它们互相之间接触得非常紧密，因此相邻的两块玻璃之间总会隔着薄薄的一层空气。当光穿过这样的一叠玻璃时，原本一帆风顺的旅程一下子变得非常“坎坷”，因为光在每一个玻璃与空气的界面，也就是每一块玻璃的上下表面都会发生反射，虽然每次仍然只有微不足道的4%的光线被反射，但是积累起来的结果却是惊人的。在光接触到画报的表面时，相当一部分已经被反射掉了， 而被画报表面反射的光线在进入我们眼睛之前还会有很大一部分被反射而不能穿透这些玻璃，因此我们自然很难再看清上面的图案和色彩。
如果把这些玻璃彻底打碎，研磨成直径只有0.5微米或者更小的粉末。这时我们会发现，这些玻璃的粉末不仅不再透明，而且变得像雪一样洁白。如果把这样的玻璃粉末铺到刚才那张画报上，别说1厘米厚，只需薄薄的一层，画报上的图案就不仅仅是变得模糊了，而是完全被白色的粉末所遮盖了。这是因为当玻璃被研磨成粉末后，不仅产生了更多的玻璃与空气的界面，使得反射更加强烈，还带来了另一种重要的光学现象，那就是散射。
什么是散射呢？我们都知道，光无论是在空气中、水中还是其他介质中，总是沿着直线传播。然而光一旦遇到分布在介质中的小颗粒，例如空气中的尘埃、水中的油滴，一部分光就会偏离原来的直线轨迹，而是向着四面八方传播开来，这就是散射现象。当颗粒的尺寸小到与光的波长相仿或者更小时，散射会非常明显。前面我们提到，可见光的波长在0.4~0.8微米这个范围，而直径为0.5微米或者更小的玻璃粉末刚好符合这个要求。当原本在空气中传播的光遇到无数玻璃粉末时，散射是如此之强烈，以致于光完全无法穿过这些玻璃粉末，在我们的眼中，它们就不再透明。
那么为什么这些玻璃粉末会呈现出白色呢？当我们把一整块玻璃变成玻璃粉末时，原本穿过玻璃的光由于强烈的反射和散射进入了我们的眼睛，而玻璃对于可见光中任何波长的光都没有明显吸收，因此进入我们眼睛的各个波长的光的强度也没有明显变化。换句话说，玻璃的粉末让太阳光原封不动地进入了人眼，我们自然就看到了白色。这种现象并非玻璃所独有，将其他无色透明的物质从大块变成粉末，我们同样会得到纯洁的白色。一个典型的例子是，同样由水凝结而成，冰块是无色透明的，积雪却是白色的。因为冰块是一个均匀的整体，而雪是由许许多多小的冰晶颗粒组成，颗粒与颗粒之间充满了空气，因此光照射进来时也会被强烈地反射和散射。同样，整块的二氧化钛也是像玻璃一样透明，而它的粉末也是像玻璃粉和积雪那样洁白。
图2 玻璃（左）和二氧化钛（右）尽管本身都是无色透明的材料，但加工成颗粒尺寸非常小的粉末时，却会呈现白色。
通过上面的介绍，相信大家已经理解了一种材料究竟是无色透明还是白色，完全取决于它是一大块均匀的整体还是被分割成无数细小的粉末。事实上，无色透明的材料不仅可以作为白色颜料，而且是白色颜料的最佳选择，因为一旦某种颜色的光被更为强烈地吸收了，颜料的白色就会不够纯正。例如如果我们在研磨玻璃的时候不小心掺杂进去一两片树叶，那么得到的玻璃粉末就可能带上一丝绿色。许多用作白色颜料的材料都会含有一些带有颜色的杂质，因此在生产过程中必须想办法将这些杂质除去，以保证白色的纯正。
不过，既然玻璃也能够带来白色，在实际应用中我们为什么更多地选择二氧化钛？那是因为白色颜料除了要有良好的透光性以外，还需要满足另一项重要的要求。究竟是什么要求呢？敬请关注本文的下半部分。
为什么二氧化钛独受青睐
如果把玻璃粉和二氧化钛的粉末放在一起，恐怕很难分辨哪种材料看上去更白一些。但在很多时候，我们并不是直接把这些白色的粉末涂到物体的表面，而是把它和各种高分子材料混在一起制成油漆或者涂料，例如涂在汽车和家具表面的白色油漆就是这样制成的。它不仅能够提供白色，还能保护物体表面免受磨损或腐蚀。
如果我们选择玻璃粉来生产这样的白色油漆，就会遇到一个很奇怪的现象：尽管玻璃粉本身洁白无暇，制成的涂料却又变得像玻璃一样无色透明，结果物体表面涂上涂料之后还是原先的颜色。而如果我们用二氧化钛的粉末去代替玻璃粉，不管物体原先是红色、蓝色或是绿色，只要涂料轻轻一刷，全部都被白色覆盖了。同样是白色颜料，为什么会有这么大的差异呢？
图1 用不同白色颜料制成的涂料的效果对比。从左到右依次是粘土(折射率1.65)、碳酸钙（折射率1.65）、氧化锌（折射率2.02）、锐钛矿形式的二氧化钛（2.55）和金红石形式的二氧化钛（折射率2.73）
前面我们提到，白色颜料之所以能够产生白色，是因为颜料的粉末强烈地反射和散射着光线。当我们将白色颜料涂到某个物体的表面时，我们希望用尽可能薄的一层颜料就能够将物体本身的颜色遮盖掉，因此颜料粉末的反射和散射效率必须足够高，不给光线任何机会穿透白色颜料到达被它覆盖的物体。那么我们该如何提高反射和散射的效率呢？
图2 左：性能优异的白色颜料可以使得入射光完全被颜料反射和散射；右：性能不佳的白色颜料会使得一部分光线穿过颜料接触到被颜料覆盖的物体，因此颜料的白色会由于掺杂了物体自身的颜色而显得不够纯正。
光学原理告诉我们，对于两种不同的材料，如果光在它们之中分别传播时感受到的差异越大，那么光在二者界面上就越容易发生反射和散射。用更为专业的语言描述就是，两种材料的折射率相差越大，反射和散射的效果就越明显。如果我们仅仅是将白色颜料本身制成粉末，那么反射和散射是发生在空气和颜料的界面上，而在常见的各种材料中，空气拥有最低的折射率，数值接近1。因此，充当白色颜料的材料不仅要透明，而且折射率必须尽可能地高，这样才能利用最少的材料产生最明显的白色。
玻璃的折射率在1.5左右，这个数值并不算太低。然而如果我们把玻璃添加到高分子材料中，问题就来了：常见的高分子材料的折射率通常在1.4－1.6之间，和玻璃相差不大，当光穿过玻璃进入高分子材料时，并不会有太大的变化。这样一来，被反射和散射的光的比例都大大降低。例如前面我们提过，光在玻璃和空气的界面上会有4％左右被反射，但是光在玻璃和折射率为1.4的高分子材料的界面上只有约千分之一左右被反射。在反射效率降低的同时，光的散射也变得不那么强烈。因此当我们把玻璃粉和高分子材料混合得到的涂料涂在物体表面时，大部分的光其实都透过了涂料，所以这层涂料看上去是透明的。不仅玻璃如此，还有许多常见的能够产生白色的材料，例如粘土和碳酸钙等，折射率也都和高分子材料相近。用这些材料生产出来的白色油漆或者涂料，白色的效果同样会比较差。
为了保证白色颜料在油漆和涂料中能够正常发挥作用，我们必须寻找折射率更高且透明的材料，这也就是二氧化钛最终在众多候选者中脱颖而出的原因。它有着高达2.7的折射率，常见材料几乎无出其右者。光在经过空气和二氧化钛的界面时，被反射的光的比例高达20％，即便把二氧化钛和折射率为1.6的高分子材料混在一起，巨大的折射率差异也可以保证强烈的反射和散射。高透光性与高折射率的完美结合，使得二氧化钛成为白色颜料的不二选择。虽然二氧化钛迟至20世纪初才开始被大量用作白色颜料，但其优异的性能使得它很快占据了白色颜料的主导地位。目前，全世界每年有数百万吨的二氧化钛被生产出来，这其中绝大部分都被用作了白色颜料。
图3 一些可以被用作白色颜料的材料的折射率
二氧化钛不仅被大量用作油漆和涂料中的白色颜料，还被经常添加到食物、药品和化妆品中，让它们看上去更加洁白。如果找出一管白色的牙膏或者一盒白色的药片，你多半会在配料表中发现二氧化钛的身影。我们无需担心进入人体的二氧化钛会损害我们的健康，到目前为之，各种研究都认为二氧化钛并不会对人体造成明显的负面影响。基于二氧化钛良好的安全性，美国联邦食品与药品管理局已经批准它作为添加到食品、药品和化妆品中的白色颜料，完全可以放心使用。
图4 牙膏中经常添加二氧化钛以使得产品更加洁白
不止是白色颜料
如果你认为二氧化钛只能用作白色颜料，那未免太小瞧它了。它还能帮助我们实现许多更为重要的功能。二氧化钛有一个很有趣的特点，那就是虽然对阳光中的可见光几乎没有任何吸收，却能强烈地吸收其中的紫外线。于是人们把它添加到防晒霜中，让它不仅能够将可见光反射、散射掉，还能够将对皮肤危害更大的紫外线吸收，从而让我们在享受户外活动的快乐时不会被阳光灼伤。
二氧化钛能够强烈吸收紫外线这个特点还赋予了它另一项奇妙的应用，那就是能够自我清洁的玻璃。在使用过程中，玻璃表面难免会吸附尘土和油污，影响玻璃的透光性能。室内的玻璃我们还可以经常清洗，室外的玻璃一旦沾染上污垢就很让人头疼。你可能期待雨水能够将这些污垢清洗掉，然而一场大雨过后，你会很失望地发现，污垢不仅仍然附着在玻璃表面，而且在它们周围还聚集了许多水滴，结果玻璃反而变得更脏了。因为污垢并不喜欢水，因此当雨水落到玻璃表面上时，它们不仅不会溶解在雨水中被带走，而且还会阻碍雨水在玻璃上的流动，来不及流走的雨水就形成许多水滴聚集在污垢的周围。
如果在玻璃的表面添加一层二氧化钛，我们会惊喜地发现，吸附到玻璃上的污垢不仅少了很多，而且遇到下雨，很快就被雨水冲走了。因为当光照到二氧化钛表面时，二氧化钛吸收了其中的紫外线，自身的化学性质发生了变化，变得对水更加亲近。这样一来雨水会更容易渗透进它和污垢之间的缝隙而将污垢冲刷掉。而且，吸收了紫外线的二氧化钛变得非常活泼，会和吸附在玻璃表面的油脂等有机物的污垢发生化学反应，让它们变得更加易溶于水，甚至直接变成气体挥发掉。有人做过实验，在二氧化钛表面涂上一薄层脂肪酸，然后用紫外线照射，过了一段时间，脂肪酸全部变成二氧化碳跑掉了。化学和物理的作用双管齐下，使得污垢很难在二氧化钛表面安营扎寨。正因为如此，表面添加了二氧化钛的玻璃比普通玻璃要更容易保持清洁。
图5 表面添加了二氧化钛的玻璃（右）比普通玻璃（左）能够更好地保持清洁
当然，二氧化钛的奇妙应用还不止这些。近些年来，随着研究的深入，科学家们不断挖掘出它更多的重要应用。默默奉献的二氧化钛，带给我们的不仅仅是赏心悦目的白色，还有更加美好的生活。
作者：魏昕宇
