Óxido de zinc: características, aplicaciones y tendencias de desarrollo de materiales inorgánicos multifuncionales

El óxido de zinc (ZnO), comúnmente conocido como blanco de zinc, es un compuesto inorgánico formado por los elementos zinc y oxígeno. Su fórmula química es ZnO, su número CAS es 1314-13-2 y su masa molar es de 81,4084 g·mol⁻¹. Esta sustancia, que se presenta como un sólido blanco e inodoro, es difícil de disolver en agua. Sin embargo, desempeña un papel importante en el proceso de la civilización humana gracias a sus propiedades físicas y químicas únicas. Desde antiguos revestimientos y usos medicinales hasta materiales fundamentales en campos modernos de alta tecnología, sus escenarios de aplicación siguen ampliándose, convirtiéndose en un material multifuncional que abarca tanto la industria tradicional como la tecnología de vanguardia.
1. Propiedades psicológicas centrales: la estructura determina el desempeño

Las excelentes propiedades del óxido de zinc se deben a su estructura cristalina especial y a sus propiedades electrónicas. A temperatura ambiente, presenta principalmente una estructura hexagonal wurtzita. Cada ion de zinc está rodeado por seis iones de oxígeno, y los iones de oxígeno están rodeados por cuatro iones de zinc. Esta estructura le confiere un efecto piezoeléctrico y un efecto piroeléctrico, sentando así las bases para la aplicación en dispositivos electrónicos. Bajo condiciones de alta presión, el óxido de zinc puede convertirse en una estructura octaédrica tipo cloruro de sodio, mostrando plasticidad estructural.

En cuanto a sus propiedades físicas, el óxido de zinc tiene una densidad de 5,606 g/cm³, un punto de fusión de 1975°C (temperatura de descomposición), un punto de ebullición de 2360°C y un índice de refracción nD de 2,0041. Posee una alta conductividad térmica y eléctrica. Es un semiconductor con banda prohibida directa y amplia, con una separación de banda de aproximadamente 3,37 eV a temperatura ambiente y una energía de enlace de excitones tan alta como 60 meV, lo que le confiere ventajas únicas en el campo de la optoelectrónica. Cabe destacar que el óxido de zinc presenta propiedades termocrómicas. Se volverá amarillo al calentarlo en aire y recuperará su color blanco tras enfriarse. Esto se debe a la formación de un compuesto no estequiométrico Zn₁₊ₓO a altas temperaturas.

En cuanto a sus propiedades químicas, el óxido de zinc, como un óxido anfótero típico, puede reaccionar con ácidos y bases para formar sales correspondientes; por ejemplo, reacciona con ácido clorhídrico para formar cloruro de zinc, y reacciona con hidróxido de sodio para formar zincato. Es estable a temperatura ambiente y puede reaccionar con la mayoría de los elementos no metálicos a altas temperaturas. También puede ser reducido a zinc metálico mediante carbono, polvo de aluminio, etc. Además, puede reaccionar con sulfuro de hidrógeno para producir sulfuro de zinc, el cual se utiliza en escenarios comerciales como desodorantes. El fosfato de zinc producido al reaccionar con ácido fosfórico puede emplearse como material dental.

2. Proceso de preparación: evolución tecnológica desde lo tradicional hasta lo de alta gama

El proceso de preparación del óxido de zinc sigue evolucionando en función de las necesidades de aplicación, dando lugar a dos sistemas principales: la producción a escala industrial y la síntesis de precisión en laboratorio. Diferentes procesos determinan la pureza del producto, el tamaño de partícula y las diferencias en su rendimiento, adaptándose así a distintos escenarios de aplicación.

(1) Proceso de preparación industrial

1. Método indirecto (método francés): Utilizando lingotes de zinc metálico de alta pureza como materias primas, el zinc se funde primero a 600-700°C y luego se evapora a 1250-1300°C para formar vapor de zinc, el cual se oxida con aire y posteriormente se enfría y recoge. La pureza del producto puede alcanzar entre el 99,5% y el 99,7%. Mediante una optimización de la tecnología de sedimentación en múltiples etapas y modificación superficial, es posible lograr un control preciso de la distribución del tamaño de las partículas, lo que lo hace adecuado para cauchos de alta gama, cerámicas electrónicas y otros campos.

2. Método directo (método estadounidense): Se utilizan menas de zinc, escorias metalúrgicas, etc. como materias primas, se mezclan con antracita y se calientan a 800-1000°C. Primero, la mena de zinc se reduce para generar vapor de zinc, y luego se oxida en el mismo reactor para producir óxido de zinc. En 2025, se lograrán avances tecnológicos que permitirán implementar una desulfuración integral de gases de combustión (tasa de recuperación de SO₂ >99%). La tasa total de recuperación de zinc aumentará a más del 97%. La pureza del producto será del 90% al 95%. El costo será solo el 45% del de los productos de alta pureza. Este método se utiliza ampliamente en esmaltes cerámicos, alimentos para animales y otros ámbitos.

3. Método químico: Utilizando sales de zinc, tales como cloruro de zinc y sulfato de zinc, como materias primas, estas reaccionan con sustancias alcalinas como hidróxido de sodio y carbonato de sodio para formar un precipitado de hidróxido de zinc, el cual se convierte en óxido de zinc tras lavado, secado y calcinación. Entre estos métodos se incluyen el método del bicarbonato de amonio y el método del nitrato, entre otros. El proceso ácido se optimiza mediante inhibidores del crecimiento cristalino y mediante una calcinación continua en lecho fluidizado. El área superficial específica del óxido de zinc activo supera los 80 m²/g, lo cual es significativamente mayor que los 10-15 m²/g del proceso por fuego. Este producto es adecuado para aplicaciones de alta gama, tales como encapsulantes fotovoltaicos y recubrimientos para separadores de baterías.

(2) Laboratorio y nueva tecnología

Los métodos hidrotermales, los métodos de deposición por vapor, los métodos sol-gel, entre otros, se utilizan comúnmente en laboratorios para preparar formas especiales de óxido de zinc. El método hidrotermal obtiene cristales de óxido de zinc mediante reacciones a alta presión y alta temperatura; el método de deposición por vapor puede preparar películas de óxido de zinc de alta calidad; y el método sol-gel permite controlar con precisión la estructura del producto. El método de microemulsión utiliza una fase orgánica de ciclohexano y un sistema de surfactantes no iónicos para preparar óxido de zinc con una estructura de partículas especial.

Nuevos procesos están promoviendo materiales de óxido de zinc de alta gama. El método de fase gaseosa asistido por plasma de radiofrecuencia puede preparar nanopilares en matriz, y la eficiencia de respuesta piezoeléctrica es dos órdenes de magnitud superior a la de los materiales de película delgada. La tecnología de pirólisis por pulverización utiliza atomización ultrasónica y campos térmicos de microondas para producir partículas esféricas monodispersas de 10 nm, las cuales han ingresado al mercado de películas de retroiluminación con puntos cuánticos. El método de electrólisis en sal fundida de zincato permite preparar escamas de alta cristalinidad con una conductividad térmica de 280 W/(m·K), las cuales pueden utilizarse en sistemas de gestión térmica para LED.

3. Diversas áreas de aplicación: materiales funcionales que se extienden a diversas industrias

La producción anual mundial de óxido de zinc es de aproximadamente 1,05 millones de toneladas, y sus aplicaciones abarcan numerosos campos, como caucho, medicina, electrónica y catálisis. Su valor central proviene de sus múltiples propiedades, tales como refuerzo, protección contra rayos ultravioleta, semiconductividad y propiedades antibacterianas.

(1) Industria del caucho: refuerzo y activador central

Alrededor del 50% del óxido de zinc se utiliza en la industria del caucho. Cuando se emplea junto con ácido esteárico como activador de vulcanización, puede acelerar la reacción de reticulación del caucho y mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia al desgaste y la resistencia al envejecimiento del producto. La adición de polvo termoconductor de óxido de zinc al caucho de silicona puede mejorar significativamente la conductividad térmica y mantener una alta resistencia. El óxido de zinc a escala nanométrica puede lograr una alta conductividad térmica incluso con cantidades bajas de carga; sin embargo, es necesario resolver el problema de la aglomeración de partículas para evitar que afecte las propiedades mecánicas. Además, el óxido de zinc puede proteger el caucho de hongos y rayos UV, prolongando así su vida útil.

(2) Medicamentos y cosméticos: protección y cuidado de la seguridad

En el campo de la medicina, el óxido de zinc es un medicamento de clase B sin receta. Su pomada es adecuada para dermatitis agudas/subagudas, eccema, sudoración profusa y úlceras cutáneas leves. El aceite puede utilizarse para tratar quemaduras en áreas pequeñas y para el cuidado de escaldaduras. Se aplica externamente dos veces al día. Ocasionalmente se observan reacciones adversas como sensación de ardor y erupción cutánea. Al utilizarlo, evite el contacto con las mucosas y la administración por vía oral. En odontología, el óxido de zinc puede emplearse en ingredientes de pastas dentales, empastes temporales y pastas para reparación dental. El producto similar a un cemento que se obtiene al reaccionar con ácido fosfórico es un material dental comúnmente utilizado.

En el campo de los cosméticos, el óxido de zinc se ha convertido en el ingrediente central de los protectores solares debido a su alta eficacia para absorber rayos ultravioleta y su elevada seguridad. Aunque las preparaciones tradicionales de nanoóxido de zinc son viscosas y presentan propiedades cosméticas deficientes, tienen excelentes efectos de protección contra los rayos UV. Con el desarrollo de la tecnología de modificación de superficies, la experiencia de uso se ha ido mejorando gradualmente. Además, el óxido de zinc también puede utilizarse como suplemento dietético para aportar al cuerpo humano el zinc esencial.

(3) Electrónica y optoelectrónica: nuevas fuerzas en materiales semiconductores

El óxido de zinc se utiliza ampliamente en el campo electrónico debido a su amplio intervalo de banda prohibida y a su alta energía de unión de excitones. Se emplea para fabricar varistores (varistores), los cuales aprovechan características no lineales de corriente-tensión para lograr protección contra rayos en líneas de alto voltaje y protección contra sobretensiones en equipos. Se requieren materiales de alta densidad para garantizar un rendimiento estable. En el ámbito de la optoelectrónica, puede utilizarse en láseres ultravioleta, células solares, sensores de gases y otros dispositivos. Sus propiedades de fotoluminiscencia y piezoeléctricas también pueden emplearse para diseñar sensores MEMS capaces de identificar radios y ángulos de curvatura. Además, se prevé que el óxido de zinc reemplace al GaN como material central para LDs y LEDs UV, con un enorme potencial.

(4) Otros campos: expansión de funciones y aplicaciones innovadoras

En la industria catalítica, el óxido de zinc puede utilizarse como catalizador para síntesis orgánica y como agente de desulfuración. Al ser expuesto a luz ultravioleta, genera pares electrón-hueco y degrada contaminantes orgánicos mediante oxidación directa o indirecta. La adición de otros componentes puede ampliar su rango de respuesta en el espectro visible. En la industria textil, el recubrimiento con nano-óxido de zinc confiere a los textiles funciones impermeables, autolimpiables y antiultravioleta. Su transpirabilidad es superior a la del material principal, por lo que resulta adecuado para prendas militares y de uso diario.

En el campo de la construcción, se añade óxido de zinc nano a cemento para mejorar la resistencia a la compresión y las propiedades antiincrustantes; en la industria alimentaria, se utiliza como fuente de zinc en cereales para el desayuno y aditivos para piensos, y puede combinarse con otras tecnologías para aumentar la eficiencia de la esterilización. Al mismo tiempo, el óxido de zinc también tiene aplicaciones importantes en baterías, materiales ferríticos, materiales retardantes de llama y otros campos.

4. Tendencias en seguridad, protección ambiental y desarrollo: ecologización y alta gama en paralelo

(1) Asuntos de seguridad y protección ambiental

El óxido de zinc en sí es relativamente seguro, pero es necesario evitar la inhalación de polvo y el contacto directo con la piel. Debe usar ropa protectora, guantes y máscaras de protección al manipularlo, mantener una buena ventilación y almacenarlo alejado de ácidos. La Unión Europea lo clasifica como sustancia peligrosa para el medio ambiente (R50/53) y exige cumplir con las medidas de seguridad S60 y S61. Durante el proceso de producción, el método directo debe controlar las emisiones de SO₂, y el método húmedo debe tratar las aguas residuales y los residuos. Nuevos procesos están reduciendo el impacto ambiental mediante un bajo consumo de energía y ciclos cerrados. Por ejemplo, la tasa de recuperación de amoníaco en el proceso de amoníaco supera el 99,8%, y el costo del óxido de zinc regenerado es inferior al de los productos minerales primarios.

En cuanto al reciclaje, el óxido de zinc puede recuperarse de productos de zinc de desecho mediante pirometalurgia e hidrometalurgia, con una tasa de recuperación del 80% al 90%. En el futuro, el sistema de reciclaje en bucle cerrado combinará nanotecnología y monitoreo inteligente para mejorar la utilización de los recursos y reducir el riesgo de contaminación por metales pesados.

(2) Tendencias de desarrollo de la industria

La industria del óxido de zinc está evolucionando hacia una mayor sostenibilidad y un desarrollo de alta gama. En cuanto a eficiencia energética, el proceso húmedo (consumo de energía por tonelada es de 3800 kWh) presenta más ventajas que el proceso térmico (6000 kWh). En la era de la paridad de energías verdes, los beneficios marginales siguen aumentando. Impulsada por políticas de protección ambiental, se ha producido una ola de conversión al proceso húmedo de tercera generación en la UE, y la tecnología de captura de carbono se está utilizando gradualmente para reducir las emisiones.

En términos de valor, el precio del óxido de zinc ordinario es de aproximadamente 20.000 yuanes por tonelada, mientras que el nanopolvo de grado objetivo ha superado los 1,2 millones de yuanes por tonelada. La alta gama se ha convertido en la clave del éxito de la empresa. En el futuro, la computación cuántica y el aprendizaje automático ayudarán en el diseño de materiales de óxido de zinc de alto rendimiento; se seguirán optimizando procesos ecológicos como la síntesis a base de biocombustibles y la síntesis por microondas; y se mejorará gradualmente el sistema de evaluación del ciclo de vida completo para impulsar a la industria a lograr un equilibrio entre los valores ambientales y económicos.

Desde la antigua utilización de minerales naturales hasta la moderna preparación de nano precisión, el óxido de zinc sigue impulsando las actualizaciones tecnológicas en diversas industrias gracias a sus propiedades físicas y químicas controlables. Con la intersección entre la ciencia de materiales y la ingeniería ambiental, este común polvo blanco seguramente brillará con un valor aún más deslumbrante en campos como la energía nueva, la manufactura de alta gama y la protección ecológica del medio ambiente.