英文 Мырыш оксиді: дәстүрлі қоспадан озық технологияға ауысатын әмбебап материал

Кәдімгі бейорганикалық қосылыс болып көрінетін мырыш оксиді (ZnO) енді жаңа жарықта материалдар инновациясының назарына түсуде. Ежелгі дәрілік қолданудан қазіргі заманғы оптоэлектрондық технологияға дейін ZnO дәстүрлі өнеркәсіптік қоспадан стратегиялық функционалды материалға терең трансформациядан өтуде. Нанотехнологиялар мен материалтану саласындағы жетістіктерімен жартылай өткізгіш сипаттамалары, пьезоэлектрлік эффектілер және биоүйлесімділік сияқты тамаша қасиеттерді біріктіретін бұл материал жаңа энергетика, биомедицина және ақпараттық технологиялар сияқты шекаралық салаларда қолданбалы революцияны жүргізеді.

1. Материалдық қасиеттер туралы жаңа түсінік: кең жолақты жартылай өткізгіштен көп функциялы платформаға дейін
Тікелей кең жолақты жартылай өткізгіш ретінде (бөлме температурасында шамамен 3,37 эВ жолақ аралықпен) ZnO бірегей электрондық құрылымы мен оптоэлектрондық қасиеттері қайта анықталды. Синтез процестерін дәл бақылау арқылы микрон масштабынан наномасштабқа дейін және нөл өлшемді құрылымдардан үш өлшемді құрылымдарға дейінгі өнімдерді дайындауға болады, соның ішінде нанобөлшектерді, наноөткізгіштерді, наношоғырларды және нанопарақтарды. Бұл әртүрлі морфологиялар әртүрлі физикалық-химиялық қасиеттерді көрсетеді, бұл арнайы қолданбаларға мүмкіндік береді.

Химиялық буларды тұндыру, гидротермиялық әдістер және золь-гель процестері сияқты заманауи өндіріс әдістері өнімнің тазалығын (99,99% немесе одан жоғары) айтарлықтай арттырып қана қоймайды, сонымен қатар кристалдық ақауларды, беттік күйлерді және қоспа элементтерін дәл бақылауға мүмкіндік береді. Атап айтқанда, ZnO наноқұрылымдарының басқарылатын дайындығы оптоэлектронды құрылғылар мен сенсорлардың жаңа буынын әзірлеуге негіз қалады.

2. Өнімділік артықшылықтарының көп қырлы кеңеюі: дәстүрлі қабылдаудан тыс ерекше қасиеттер
ZnO әмбебаптығы оған бірнеше өлшемдерде бірегей артықшылықтар береді:

Оптоэлектрондық қасиеттері бойынша, ZnO кең жолақ аралығын жоғары қоздырғышты байланыстыру энергиясымен (60 меВ) біріктіріп, бөлме температурасында тиімді ультракүлгін сәуле шығаруға мүмкіндік береді. Бұл оны ультракүлгін сәуле шығаратын диодтар, лазерлер және детекторлар үшін тамаша материал етеді. Оның тамаша фотоэлектрлік түрлендіру тиімділігі оны бояғышпен сезімтал күн батареяларында ерекше етеді.

Пьезоэлектрлік және термоэлектрлік қасиеттер: ZnO-ның вурцит құрылымы оған механикалық энергия жинау және қысымды сезу үшін пайдалы маңызды пьезоэлектрлік сипаттамалар береді. Сонымен қатар, алюминий сияқты элементтермен легирлеу оның термоэлектрлік өнімділігін айтарлықтай арттырады, бұл қалдық жылуды қалпына келтіру мүмкіндігін көрсетеді.

Антибактериалды қасиеттері және биоүйлесімділігі: Nano-ZnO көрінетін жарықта немесе тіпті қараңғыда реактивті оттегі түрлерін жасай алады, дәріге төзімділікті оңай тудырмай, микробтық құрылымдарды бұзады, бұл оны кең спектрлі, қауіпсіз бактерияға қарсы материал етеді. Оның қалыпты биоыдырағыштығы және төмен цитотоксикалық қасиеті биомедициналық салада үлкен назар аударды.

3. Қолдану сценарийлеріндегі революциялық жетістіктер: өнеркәсіптік қоспадан негізгі материалға дейін
ZnO қолданбалары дәстүрлі өрістерден қосылған құны жоғары сценарийлерге дейін жылдам кеңейеді:

Оптоэлектроника және ақпараттық технология саласында, ZnO мөлдір өткізгіш пленкалар сенсорлық экрандарда, икемді дисплейлерде және смарт терезелерде дәстүрлі индий қалайы оксидін (ITO) алмастыра бастады. ZnO нано сымдарына негізделген ультракүлгін детекторлар қоршаған ортаны бақылау мен биологиялық анықтауда бірегей артықшылықтарды ұсына отырып, дәстүрлі өнімдерге қарағанда бірнеше рет жоғары сезімталдықты көрсетеді.

Жаңа энергетикада және қоршаған ортаны қорғауда, Перовскит күн батареяларындағы ZnO электронды тасымалдау қабаттары құрылғының тұрақтылығы мен тиімділігін айтарлықтай жақсартты. Фотокатализде ZnO негізіндегі композициялық материалдар көрінетін жарық астында органикалық ластаушы заттарды ыдыратуда үлкен жетістіктерге жетті.

Биомедицинада және жеке күтімде, ZnO нанобөлшектері дәрі-дәрмекті жеткізудің мақсатты жүйелерінде сәтті қолданылды, бұл қатерлі ісік емдеуде дәрі-дәрмекті дәл енгізуге мүмкіндік береді. Күннен қорғайтын жоғары сапалы өнімдерде олардың кең спектрлі ультракүлгін сәулелерінен қорғауы және жұмсақ қасиеттері кейбір органикалық күннен қорғайтын құралдарды біртіндеп ауыстырады. Бактерияға қарсы таңғыштар және медициналық катетер жабындары сияқты қолданбалар да клиникалық тексеруден өтуде.

Өнеркәсіп пен ауыл шаруашылығындағы инновациялық қолданбалар: ZnO резеңке вулканизация активаторы ретіндегі қызметі қайта бағалануда, нано-ZnO резеңке бұйымдарының тозуға төзімділігін және қартаюға қарсы қасиеттерін 30%-дан астамға жақсартады. Ауыл шаруашылығында ZnO нано-тыңайтқыштары цинкті пайдалану тиімділігін 5-8 есе арттырып, дақылдардың өсуін және ауруға төзімділігін айтарлықтай арттырады.

4. Өнеркәсіптің жай-күйі мен дамуының кедергілері: жоғары деңгейлі өнімді жеткізудегі қиындықтар
Жаһандық ZnO нарығы айтарлықтай дифференциацияны көрсетеді: Қытай ең ірі өндіруші және тұтынушы болып табылады, бірақ бірінші кезекте ортадан төмен деңгейлі өнімдерге назар аударады; Жапония, Германия және т.б. жоғары таза, функционалды ZnO өнімдерінде технологиялық көшбасшылықты сақтайды. 2023 жылы ZnO мамандығының әлемдік нарығының көлемі 2,5 миллиард доллардан асты, жылдық өсу қарқыны 8%-дан асады.

Ағымдағы негізгі міндеттерге мыналар жатады:

• Наноматериалдар төңірегіндегі қауіпсіздік қайшылықтары: Нано-ZnO-ның қоршаған ортаға көшу және биоаккумуляциялық әсерлері ұзақ мерзімді бағалауды қажет етеді, ал тиісті стандарттар мен ережелер шұғыл түрде жетілдіруді қажет етеді.

• Допингтік технологиядағы тұрақтылық мәселелері: P-типті ZnO дайындау әлі де нашар тұрақтылық және төмен қайталану сияқты қиыншылықтарға тап болады, бұл оның жартылай өткізгіш құрылғыларда жан-жақты қолданылуын шектейді.

• Ірі өндірістегі шығындар қысымы: Жоғары сапалы ZnO наноматериалдарының өндіріс шығындары жоғары болып қалады, бұл олардың белгілі бір салаларда кең ауқымды коммерциялық қолданылуын шектейді.

• Қолданбаға арналған стандарттардың болмауы: Әртүрлі қолданбалы салаларда ZnO үшін айтарлықтай әртүрлі өнімділік талаптары бар және мақсатты салалық стандарттар мен бағалау жүйелерінің жетіспеушілігі бар.

5. Болашақ даму тенденциялары: пәнаралық интеграция және дәлдік қолданбалары
ZnO өнеркәсібінің болашақ дамуы келесі тенденцияларды көрсетеді:

• Интеллектуалды өндірісті жаңарту: Жасанды интеллект және машиналық оқыту технологиялары зертханалық ҒЗТКЖ-дан өнеркәсіптік өндіріске жылдам өтуге мүмкіндік беретін материалдарды жобалауға және процесті оңтайландыруға қолданылатын болады.

• Көп функциялы интеграцияланған инновация: Гетероқұрылымдық құрылыс және беттік инженерия арқылы интеграцияланған оптоэлектрондық, каталитикалық және сезгіш функциялары бар «ақылды» ZnO композиттік материалдар әзірленетін болады.

• Биомедициналық қосымшаларды тереңдету: Тіндік инженерияда, ауруларды диагностикалауда және мақсатты терапияда ZnO негізіндегі материалдарды зерттеу оларды клиникалық қолданбаларға аударуды тездетеді.

• Жасыл және тұрақты даму: Жаңартылатын ресурстарды пайдалана отырып, энергиясы аз өндірістік процестерді дамыту және материалдардың өмірлік циклін толық бағалау жүйесін құру.

Өнеркәсіптік болжам: Кванттық нүктелік дисплейлер, киілетін электроника және қоршаған ортаны қалпына келтіру сияқты дамып келе жатқан салалардағы үздіксіз жетістіктермен 2030 жылға қарай жоғары өнімді ZnO үшін жаһандық нарық көлемі 5 миллиард долларға жетеді деп болжануда. ZnO «өнеркәсіптік дәмдеуіштен» «материалдық жұлдызға» ауысады және оның даму траекториясын ғана емес, сонымен бірге материалды даму жолын да көрсетеді. дәстүрлі материалдар өнеркәсібі үшін технологиялық инновациялар арқылы құндылық секірістеріне қол жеткізу. Бұл трансформация Қытайға ZnO ірі өндірушісінен технологиялық көшбасшыға ауысу үшін тарихи мүмкіндік береді, бұл көптеген жоғары технологиялық өнеркәсіптік тізбектерде жаңа бәсекелестік артықшылықтарды қалыптастыруы мүмкін.