أكسيد الزنك: الخصائص والتطبيقات واتجاهات تطوير المواد غير العضوية متعددة الوظائف

أكسيد الزنك (ZnO)، المعروف عادةً باسم أبيض الزنك، هو مركب غير عضوي يتكون من عنصري الزنك والأكسجين. الصيغة الكيميائية له هي ZnO، ورقم CAS هو 1314-13-2، والكتلة المولية تبلغ 81.4084 غرام/مول. هذه المادة، التي تظهر كمادة صلبة بيضاء عديمة الرائحة، يصعب إذابتها في الماء. ومع ذلك، فإنها تلعب دورًا مهمًا في مسيرة الحضارة الإنسانية بفضل خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة. فمن الطلاءات القديمة والاستخدامات الطبية إلى المواد الأساسية في مجالات التكنولوجيا العالية الحديثة، لا تزال سيناريوهات استخدامها تتوسع باستمرار، لتصبح مادة متعددة الوظائف تمتد بين الصناعة التقليدية والتكنولوجيا المتقدمة.
1. الخصائص النفسية الأساسية: الهيكل يحدد الأداء

تنبع الخصائص الممتازة لأكسيد الزنك من بنيته البلورية الخاصة وخصائصه الإلكترونية. في درجة حرارة الغرفة، يظهر بشكل رئيسي بنية وورتزيت سداسية. كل أيون زنك محاط بستة أيونات أكسجين، وتُحاط أيونات الأكسجين بأربعة أيونات زنك. تمنح هذه البنية أكسيد الزنك تأثيرًا كهرضغطياً وتأثيراً بيروكهربائياً، مما يضع الأساس لتطبيقات الأجهزة الإلكترونية. وفي ظل بيئة ذات ضغط عالٍ، يمكن تحويل أكسيد الزنك إلى بنية ثمانيّة الشكل من نوع كلوريد الصوديوم، مظهراً مرونة بنيوية.

من ناحية الخصائص الفيزيائية، يمتلك أكسيد الزنك كثافة تبلغ 5.606 غرام/سم³، ودرجة انصهار تبلغ 1975°C (درجة حرارة التحلل)، ودرجة غليان تبلغ 2360°C، ومعامل انكسار nD يبلغ 2.0041. كما يتميز بموصلية حرارية وموصلية كهربائية عالية. وهو شبه موصل ذو فجوة نطاق مباشرة وعريضة النطاق، تبلغ فجوة النطاق لديه حوالي 3.37 إلكترون فولت في درجة حرارة الغرفة، وتبلغ طاقة ربط الإكسيتون فيه ما يصل إلى 60 ميلي إلكترون فولت، مما يمنحه مزايا فريدة في مجال الإلكترونيات الضوئية. ومن الجدير بالذكر أن أكسيد الزنك يتمتع بخصائص حرارية لونية؛ إذ يتحول إلى اللون الأصفر عند تسخينه في الهواء، ثم يعود إلى اللون الأبيض بعد التبريد. ويحدث ذلك بسبب تكوّن مركب غير متكافئ في التركيب الكيميائي Zn₁₊ₓO عند درجات حرارة مرتفعة.

من الناحية الكيميائية، يُعد أكسيد الزنك، باعتباره أكسيدًا أمفوتيريًّا نموذجيًا، قابلًا للتفاعل مع الأحماض والقواعد لتكوين الأملاح المقابلة؛ فعلى سبيل المثال، يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك ليكوّن كلوريد الزنك، ويتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم ليكوّن زينكات. وهو مستقر في درجة حرارة الغرفة، ويمكنه التفاعل مع معظم العناصر غير المعدنية عند درجات حرارة مرتفعة. كما يمكن اختزاله إلى زنك فلزي بواسطة الكربون ومسحوق الألومنيوم وغيرها. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه التفاعل مع كبريتيد الهيدروجين لإنتاج كبريتيد الزنك، الذي يُستخدم في حالات تجارية مثل مزيلات الروائح. أما فوسفات الزنك الناتج عن التفاعل مع حمض الفوسفوريك فيمكن استخدامه كمادة سنية.

2. عملية التحضير: التطور التكنولوجي من التقليدي إلى الراقي

تستمر عملية تحضير أكسيد الزنك في التكرار وفقًا لاحتياجات التطبيقات، مما يُشكّل نظامين رئيسيين: الإنتاج على المستوى الصناعي والتخليق الدقيق في المختبر. تحدد العمليات المختلفة نقاء المنتج وحجم الجزيئات واختلاف الأداء، بما يتناسب مع سيناريوهات التطبيقات المختلفة.

(1) عملية التحضير الصناعي

1. الطريقة غير المباشرة (الطريقة الفرنسية): باستخدام سبائك زنك معدنية عالية النقاء كمواد خام، يتم أولاً صهر الزنك عند درجة حرارة تتراوح بين 600 و700 درجة مئوية، ثم تبخيره عند درجة حرارة تتراوح بين 1250 و1300 درجة مئوية لتكوين بخار الزنك، الذي يتأكسد بواسطة الهواء ثم يُبرَّد ويُجمَع. يمكن أن تصل نقاوة المنتج إلى ما بين 99.5% و99.7%. ومن خلال التحسين المتعدد المراحل للترسيب وتقنية تعديل السطح، يمكن تحقيق تحكم دقيق في توزيع حجم الجزيئات، مما يجعل هذه الطريقة مناسبة للمطاط عالي الجودة والسيراميك الإلكتروني ومجالات أخرى.

2. الطريقة المباشرة (الطريقة الأمريكية): تُستخدم خامات الزنك والخبث المعدني وغيرها كمواد خام، وتُمزج مع أنثراسيت ثم تُسخّن إلى درجة حرارة تتراوح بين 800 و1000 درجة مئوية. يُختزل خام الزنك أولاً لتوليد بخار الزنك، ثم يُؤكسد في المفاعل نفسه لتوليد أكسيد الزنك. بحلول عام 2025، ستُحقق طفرات تقنية لتحقيق إزالة الكبريت المتكاملة من غازات المداخن (معدل استرداد SO₂ >99%). وسيتم رفع معدل استرداد الزنك الإجمالي إلى أكثر من 97%. وتبلغ نقاوة المنتج ما بين 90% و95%. وتصل التكلفة إلى 45% فقط من تكلفة المنتجات عالية النقاء. وتُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في طلاء السيراميك والأعلاف الحيوانية وتطبيقات أخرى.

3. الطريقة الكيميائية: باستخدام أملاح الزنك مثل كلوريد الزنك وكبريتات الزنك كمواد خام، تتفاعل هذه الأملاح مع مواد قلوية مثل هيدروكسيد الصوديوم وكربونات الصوديوم لتكوين راسب من هيدروكسيد الزنك، الذي يُحوَّل إلى أكسيد الزنك بعد الغسل والتجفيف والتحميص، وتشمل هذه الطريقة طريقة بيكربونات الأمونيوم وطريقة النترات وغيرها. يتم تحسين العملية الحمضية من خلال مثبطات نمو البلورات والتحميص المستمر في سرير مميع. تتجاوز المساحة السطحية النوعية لأكسيد الزنك النشط 80 م²/غ، وهي أعلى بكثير من 10-15 م²/غ الناتجة عن عملية التحميص الحراري. وتُعد هذه الطريقة مناسبة للاحتياجات الراقية مثل أغلفة الخلايا الكهروضوئية وطلاء فواصل البطاريات.

(2) المختبر والتقنية الجديدة

تُستخدم طرق الهيدروثيرمال، وطرق الترسيب البخاري، وطرق السول-جل، وغيرها بشكل شائع في المختبرات لتحضير أشكال خاصة من أكسيد الزنك. تُحصل طريقة الهيدروثيرمال على بلورات أكسيد الزنك عبر تفاعلات ذات ضغط ودرجة حرارة عاليتين؛ أما طريقة الترسيب البخاري فتستطيع تحضير أغشية عالية الجودة من أكسيد الزنك؛ وتتيح طريقة السول-جل التحكم الدقيق في بنية المنتج. وتستخدم طريقة الميكرومستحلب مرحلة عضوية من السيكلوهكسان ونظام خافض للتوتر السطحي غير أيوني لتحضير أكسيد الزنك ببنية جزيئية خاصة.

تعمل العمليات الجديدة على تعزيز المواد عالية الجودة من أكسيد الزنك. يمكن للطريقة الغازية المساعدة بالبلازما ذات التردد الراديوي إعداد أعمدة نانوية مصفوفة، وتتجاوز كفاءة الاستجابة الكهروضغطية لهذه الأعمدة بفارق درجتين من حيث القيمة مقارنةً بالمواد ذات الأغشية الرقيقة. تستخدم تقنية الانحلال الحراري بالرش الذبذبات فوق الصوتية والحقول الحرارية الميكروويفية لإنتاج جسيمات كروية متجانسة بحجم 10 نانومتر، وقد دخلت هذه الجسيمات سوق أغشية الإضاءة الخلفية ذات النقاط الكمية. كما أن طريقة التحليل الكهربائي بالأملاح المنصهرة من الزينكات تستطيع إعداد رقائق عالية البلورية ذات موصلية حرارية تبلغ 280 واط/(م·كلفن)، ويمكن استخدامها في أنظمة إدارة الحرارة لوحدات LED.

3. مجالات تطبيق متنوعة: مواد وظيفية تتغلغل في صناعات متنوعة

يبلغ الإنتاج السنوي العالمي لأكسيد الزنك حوالي 1.05 مليون طن، وتغطي تطبيقاته مجالات عديدة مثل المطاط والطب والإلكترونيات والتحفيز. وتنبع قيمته الأساسية من خصائصه المتعددة، مثل التقوية، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، والخصائص شبه الموصلة، والخصائص المضادة للبكتيريا.

(1) صناعة المطاط: تعزيز الأساسي والمحفز

يُستخدم حوالي 50% من أكسيد الزنك في صناعة المطاط. وعند استخدامه مع حمض الستياريك كعامل نشط للتفلكُّز، يمكنه تسريع تفاعل تشابك المطاط وتحسين الخصائص الميكانيكية للمادة، ومقاومتها للتآكل والشيخوخة. إن إضافة مسحوق أكسيد الزنك الموصل للحرارة إلى مطاط السيليكون يمكن أن يحسّن بشكل كبير التوصيل الحراري ويحافظ على مقاومة عالية. يستطيع أكسيد الزنك النانوي تحقيق توصيل حراري عالٍ بكميات تعبئة منخفضة، لكن ينبغي حل مشكلة تكتل الجزيئات لتجنب التأثير على الخصائص الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأكسيد الزنك حماية المطاط من الفطريات والأشعة فوق البنفسجية، مما يطيل عمره الافتراضي.

(2) الأدوية ومستحضرات التجميل: حماية السلامة والرعاية

في مجال الطب، يُعدّ أكسيد الزنك دواءً من الفئة B غير موصوف. يُعتبر مرهمه مناسبًا للالتهابات الجلدية الحادة/تحت الحادة، والأكزيما، والحرارة الشائكة، والتقرحات الجلدية الخفيفة. يمكن استخدام الزيت لعلاج الحروق الصغيرة وحالات الحروق الطفيفة. يستخدم بشكل خارجي مرتين يوميًا. قد تظهر أحيانًا ردود فعل سلبية مثل الشعور بالحرقان والطفح الجلدي. يجب تجنب ملامسة الأغشية المخاطية والتناول عن طريق الفم عند الاستخدام. في طب الأسنان، يمكن استخدام أكسيد الزنك في مكونات معجون الأسنان، والحشوات المؤقتة، ومعاجين إصلاح الأسنان. ويُعدّ المنتج الشبيه بالأسمنت الناتج عن التفاعل مع حمض الفوسفوريك مادةً سنيةً شائعة الاستخدام.

في مجال مستحضرات التجميل، أصبح أكسيد الزنك المكوّن الأساسي لواقيات الشمس نظرًا لكفاءته العالية في امتصاص الأشعة فوق البنفسجية وسلامته العالية. رغم أن المستحضرات التقليدية لأكسيد الزنك النانوي لزجة وتمتاز بخصائص تجميلية ضعيفة، إلا أنها تتمتع بتأثير ممتاز في الحماية من الأشعة فوق البنفسجية. ومع تطور تقنيات تعديل السطح، تحسّنت تجربة الاستخدام تدريجيًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام أكسيد الزنك أيضًا كمكمل غذائي لتزويد جسم الإنسان بالزنك الضروري.

(3) الإلكترونيات والبصريات الإلكترونية: قوى جديدة في مواد أشباه الموصلات

يُستخدم أكسيد الزنك على نطاق واسع في المجال الإلكتروني بسبب فجوة النطاق الواسعة له وطاقة الارتباط العالية للإكسيتونات. يُستخدم لإنتاج المقاومات المتغيرة (الفاريستورات)، التي تستفيد من خصائص التيار والجهد غير الخطية لتحقيق حماية من الصواعق لخطوط الجهد العالي وحماية المعدات من الطفرات الكهربائية. وتتطلّب المواد ذات الكثافة العالية ضمان أداء مستقر. وفي مجال الإلكترونيات الضوئية، يمكن استخدامه في الليزر فوق البنفسجي والخلايا الشمسية وأجهزة استشعار الغاز وغيرها من الأجهزة. كما يمكن الاستفادة من خصائصه للتألق الضوئي وخصائصه البيزوكهربائية في تصميم أجهزة استشعار MEMS لتحديد نصف أقطار الانحناء وزواياه. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن يحلّ أكسيد الزنك محل غاليوم نيتريد كمادة أساسية لثنائيات الليزر والثنائيات الباعثة للضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، مع إمكانات هائلة.

(4) مجالات أخرى: توسيع الوظائف والتطبيقات المبتكرة

في الصناعة الحفازة، يمكن استخدام أكسيد الزنك كحفاز للتخليق العضوي وعامل لإزالة الكبريت. فهو يولد أزواجًا من الإلكترونات والثقوب تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، ويُحطِّي الملوثات العضوية عبر أكسدة مباشرة أو غير مباشرة. ويمكن لإضافته مكونات أخرى أن يوسع نطاق استجابته للطيف المرئي. في صناعة النسيج، تمنح طبقة أكسيد الزنك النانوي للمنسوجات خصائص مقاومة للماء، وذاتية للتنظيف، ومضادة للأشعة فوق البنفسجية. كما أن قدرتها على التهوية أفضل من تلك الخاصة بالمواد الأساسية، وهي مناسبة للملابس العسكرية واليومية.

في مجال البناء، يُضاف أكسيد الزنك النانوي إلى الأسمنت لتحسين قوة الانضغاط وخصائص مقاومة التلوث؛ وفي صناعة الأغذية، يُستخدم كمصدر للزنك في حبوب الإفطار والمكملات الغذائية، ويمكن استخدامه بالاشتراك مع تقنيات أخرى لتحسين كفاءة التعقيم. وفي الوقت نفسه، يمتلك أكسيد الزنك أيضًا تطبيقات مهمة في البطاريات ومواد الفيريت والمواد المقاومة للهب وغيرها من المجالات.

4. السلامة وحماية البيئة واتجاهات التنمية: التحول نحو الطبيعة والمنتجات الراقية بشكل متزامن

(1) شؤون السلامة وحماية البيئة

أكسيد الزنك نفسه آمن نسبيًا، لكن عليك تجنب استنشاق الغبار والاتصال المباشر بالجلد. ينبغي عليك ارتداء ملابس واقية وقفازات وأقنعة واقية عند التشغيل، والحرص على التهوية الجيدة، وتخزينه بعيدًا عن الأحماض. تُدرج الاتحاد الأوروبي أكسيد الزنك كمادة خطرة على البيئة (R50/53) ويجب اتباع شروط السلامة S60 وS61. خلال عملية الإنتاج، تحتاج الطريقة المباشرة إلى التحكم في انبعاثات SO₂، بينما تحتاج الطريقة الرطبة إلى معالجة مياه الصرف والمخلفات. تعمل العمليات الجديدة على تقليل الأثر البيئي من خلال استهلاك منخفض للطاقة ودوائر مغلقة. على سبيل المثال، تتجاوز نسبة استعادة الأمونيا في عملية الأمونيا 99.8%، كما أن تكلفة أكسيد الزنك المعاد تكوينه أقل من تكلفة المنتجات المعدنية الأولية.

من ناحية إعادة التدوير، يمكن استعادة أكسيد الزنك من منتجات الزنك الخردة عبر التعدين الحراري والتعدين المائي، بمعدل استرداد يتراوح بين 80% و90%. وفي المستقبل، سيعمل نظام إعادة التدوير المغلق على الجمع بين تقنيات النانو والمراقبة الذكية لتحسين استخدام الموارد والحد من خطر تلوث المعادن الثقيلة.

(2) اتجاهات تطور الصناعة

تتطور صناعة أكسيد الزنك نحو التحول إلى ممارسات صديقة للبيئة وتطوير عالي المستوى. من ناحية كفاءة الطاقة، تتمتع العملية الرطبة (استهلاك الطاقة لكل طن يبلغ 3800 كيلوواط ساعة) بمزايا أكبر من العملية الحرارية (6000 كيلوواط ساعة). وفي عصر تعادل أسعار الطاقة الخضراء، تستمر الفوائد الهامشية في الارتفاع. وبفضل سياسات حماية البيئة، شهد الاتحاد الأوروبي موجة من التحول نحو العملية الرطبة من الجيل الثالث، كما بدأ استخدام تقنيات احتجاز الكربون تدريجيًا للحد من الانبعاثات.

من ناحية القيمة، يبلغ سعر أكسيد الزنك العادي حوالي 20,000 يوان للطن، في حين تجاوز سعر مسحوق النانو من الدرجة المستهدفة 1.2 مليون يوان للطن. لقد أصبحت المنتجات عالية الجودة المفتاح الرئيسي لنجاح الشركة. وفي المستقبل، ستساعد الحوسبة الكمومية والتعلم الآلي في تصميم مواد أكسيد الزنك ذات الأداء العالي، وسيتم تحسين العمليات الخضراء مثل التخليق الحيوي والتخليق بالميكروويف بشكل أكبر، كما سيتم تطوير نظام تقييم دورة الحياة الكاملة تدريجيًا لدعم الصناعة في تحقيق التوازن بين القيم البيئية والاقتصادية.

من الاستخدام القديم للمعادن الطبيعية إلى التحضير الحديث بدقة نانوية، يواصل أكسيد الزنك تمكين التحديثات التكنولوجية في مختلف الصناعات بفضل خصائصه الفيزيائية والكيميائية القابلة للتحكم. ومع تقاطع علوم المواد والهندسة البيئية، سيبزغ هذا المسحوق الأبيض العادي بالتأكيد بقيمة أكثر إبهارًا في مجالات مثل الطاقة الجديدة والتصنيع الراقي وحماية البيئة الإيكولوجية.