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Óxido de zinc

[[#Haynes|Haynes]], pp. 4.95, 12.80 \n| Appearance = White solid \n| Odor = Odorless\n| Density = 5.6 g/cm 3 \n| Solubility = 0.0004% (17.8°C) \n| MeltingPtC = 1974\n| MeltingPt...

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El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula ZnO . Es un polvo blanco insoluble en agua. El ZnO se utiliza como aditivo en numerosos materiales y productos, incluyendo cosméticos, suplementos alimenticios , cauchos, plásticos, cerámica, vidrio, cemento, lubricantes, [ 12 ] pinturas, protectores solares, ungüentos, calamina , adhesivos, selladores, pigmentos, alimentos, baterías, ferritas, retardantes de fuego, semiconductores, [ 13 ] y cintas de primeros auxilios. Aunque se encuentra de forma natural como el mineral zincita , la mayor parte del óxido de zinc se produce sintéticamente. [ 14 ]

Historia

Los primeros humanos probablemente usaban compuestos de zinc en formas procesadas [ 14 ] y sin procesar, como pintura o ungüento medicinal; sin embargo, su composición es incierta. El uso de pushpanjan , probablemente óxido de zinc, como ungüento para los ojos y heridas abiertas se menciona en el texto médico indio Charaka Samhita , que se cree que data del 500 a. C. o antes. [ 15 ] El médico griego Dioscórides (siglo I d. C.) también menciona el ungüento de óxido de zinc. [ 16 ] Galeno sugirió tratar los cánceres ulcerados con óxido de zinc, [ 17 ] al igual que Avicena en su Canon de Medicina . Se utiliza como ingrediente en productos como talco para bebés y cremas contra la dermatitis del pañal , crema de calamina , champús anticaspa y ungüentos antisépticos . [ 18 ]

Los romanos producían cantidades considerables de latón (una aleación de zinc y cobre ) ya en el año 200 a. C. mediante un proceso de cementación en el que el cobre reaccionaba con óxido de zinc. [ 19 ] Se cree que el óxido de zinc se producía calentando mineral de zinc en un horno de cuba. Esto liberaba zinc metálico en forma de vapor, que luego ascendía por la chimenea y se condensaba como óxido. Este proceso fue descrito por Dioscórides en el siglo I d. C. [ 20 ] También se ha recuperado óxido de zinc de minas de zinc en Zawar, India , que datan de la segunda mitad del primer milenio a. C. [ 16 ]

Entre los siglos XII y XVI, el zinc y el óxido de zinc fueron reconocidos y producidos en la India mediante una forma primitiva del proceso de síntesis directa. Desde la India, la fabricación de zinc se trasladó a China en el siglo XVII. En 1743, se estableció la primera fundición de zinc europea en Bristol , Reino Unido. [ 21 ] Alrededor de 1782, Louis-Bernard Guyton de Morveau propuso reemplazar el pigmento blanco de plomo con óxido de zinc. [ 22 ]

El principal uso del óxido de zinc (blanco de zinc) era en pinturas y como aditivo en ungüentos. El blanco de zinc se aceptó como pigmento en pinturas al óleo hacia 1834, pero no se mezclaba bien con el aceite. Este problema se resolvió optimizando la síntesis de ZnO. En 1845, Edme-Jean Leclaire, en París, producía pintura al óleo a gran escala; para 1850, el blanco de zinc se fabricaba en toda Europa. El éxito de la pintura blanca de zinc se debió a sus ventajas sobre el blanco de plomo tradicional : el blanco de zinc es prácticamente permanente a la luz solar, no se ennegrece con el aire sulfuroso, no es tóxico y es más económico. Debido a su pureza, el blanco de zinc es valioso para crear tintes con otros colores, pero forma una película seca bastante quebradiza cuando no se mezcla con otros colores. Por ejemplo, a finales de la década de 1890 y principios de la de 1900, algunos artistas utilizaron blanco de zinc como imprimación para sus pinturas al óleo. Estas pinturas desarrollaron grietas con el tiempo. [ 23 ]

En los últimos tiempos, la mayor parte del óxido de zinc se ha utilizado en la industria del caucho para resistir la corrosión . En la década de 1970, la segunda aplicación más importante del ZnO era la fotocopia . El ZnO de alta calidad producido mediante el "proceso francés" se añadía al papel de fotocopia como relleno. Esta aplicación pronto fue reemplazada por el titanio . [ 24 ]

Propiedades químicas

El ZnO puro es un polvo blanco. Sin embargo, en la naturaleza se presenta como el raro mineral zincita , que generalmente contiene manganeso y otras impurezas que le confieren un color amarillo a rojo. [ 25 ]

El óxido de zinc cristalino es termocrómico , cambiando de blanco a amarillo al calentarse en el aire y volviendo a ser blanco al enfriarse. [ 26 ] Este cambio de color se debe a una pequeña pérdida de oxígeno al ambiente a altas temperaturas para formar el Zn 1+x O no estequiométrico , donde a 800 °C, x = 0,00007. [ 26 ] 

El óxido de zinc es un óxido anfótero . Es casi insoluble en agua, pero se disuelve en la mayoría de los ácidos , como el ácido clorhídrico : [ 27 ]

ZnO + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂O

El óxido de zinc sólido también se disolverá en álcalis para dar zincatos solubles: [ 27 ]

ZnO + 2 NaOH + H 2 O → Na 2 [Zn(OH) 4 ]

El ZnO reacciona lentamente con los ácidos grasos de los aceites para producir los carboxilatos correspondientes , como el oleato o el estearato . Al mezclarse con una solución acuosa concentrada de cloruro de zinc , el ZnO forma productos similares al cemento, que se describen mejor como hidroxicloruros de zinc. [ 28 ] Este cemento se utilizaba en odontología. [ 29 ]

Hopeite

El ZnO también forma un material similar al cemento cuando se trata con ácido fosfórico ; los materiales relacionados se utilizan en odontología. [ 29 ] Un componente principal del cemento de fosfato de zinc producido por esta reacción es la hopeíta , Zn 3 (PO 4 ) 2 ·4H 2 O. [ 30 ]

El ZnO se descompone en vapor de zinc y oxígeno a unos 1975  °C con una presión estándar de oxígeno. En una reacción carbotérmica , el calentamiento con carbono convierte el óxido en vapor de zinc a una temperatura mucho menor (alrededor de 950  °C). [ 27 ]

ZnO + C → Zn (Vapor) + CO

Propiedades físicas

Estructura de wurtzita
Una celda unitaria de blenda de zinc

Estructura

El óxido de zinc cristaliza en dos formas principales: wurtzita hexagonal [ 31 ] y blenda de zinc cúbica . La estructura de wurtzita es la más estable en condiciones ambientales y, por lo tanto, la más común. La forma de blenda de zinc se puede estabilizar haciendo crecer ZnO sobre sustratos con estructura de red cúbica. En ambos casos, los centros de zinc y óxido son tetraédricos , la geometría más característica del Zn(II). El ZnO se transforma en el motivo de sal de roca a presiones relativamente altas, alrededor de 10 GPa. [ 13 ]

Los polimorfos hexagonales [ 32 ] y de blenda de zinc no tienen simetría de inversión (la reflexión de un cristal con respecto a cualquier punto dado no lo transforma en sí mismo). [ 33 ] Esta y otras propiedades de simetría de la red dan como resultado la piezoelectricidad del ZnO hexagonal [ 32 ] y de blenda de zinc [ 33 ] , y la piroelectricidad del ZnO hexagonal. [ 34 ]

La estructura hexagonal tiene un grupo puntual 6  mm ( notación Hermann–Mauguin ) o C 6v ( notación Schoenflies ), y el grupo espacial es P6 3 mc o C 6v 4 . Las constantes de red son a = 3,25 Å y c = 5,2 Å; su relación c/a ~ 1,60 está cerca del valor ideal para la celda hexagonal c/a = 1,633. [ 35 ] Como en la mayoría de los materiales del grupo II-VI , el enlace en ZnO es en gran parte iónico (Zn 2+ O 2− ) con los radios correspondientes de 0,074  nm para Zn 2+ y 0,140  nm para O 2− . Esta propiedad explica la formación preferencial de la estructura wurtzita en lugar de la blenda de zinc, [ 36 ] así como la fuerte piezoelectricidad del ZnO. Debido a los enlaces polares Zn−O, los planos de zinc y oxígeno están cargados eléctricamente. Para mantener la neutralidad eléctrica, esos planos se reconstruyen a nivel atómico en la mayoría de los materiales relacionados, pero no en el ZnO: sus superficies son atómicamente planas, estables y no presentan reconstrucción. [ 37 ] Sin embargo, estudios que utilizan estructuras wurtzitas explicaron el origen de la planitud de la superficie y la ausencia de reconstrucción en las superficies wurtzitas del ZnO [ 38 ] además del origen de las cargas en los planos del ZnO.

Propiedades mecánicas

El ZnO es un material relativamente blando con una dureza aproximada de 4,5 en la escala de Mohs . [ 12 ] Sus constantes elásticas son menores que las de semiconductores III-V relevantes, como el GaN . La alta capacidad calorífica y conductividad térmica, la baja expansión térmica y la alta temperatura de fusión del ZnO son beneficiosas para la cerámica. [ 24 ] El fonón óptico E2 en el ZnO presenta una vida útil inusualmente larga de 133  ps a 10  K. [ 39 ]

Entre los semiconductores con enlaces tetraédricos, se ha afirmado que el ZnO posee el tensor piezoeléctrico más alto, o al menos uno comparable al del GaN y el AlN . [ 40 ] Esta propiedad lo convierte en un material tecnológicamente importante para numerosas aplicaciones piezoeléctricas que requieren un gran acoplamiento electromecánico. Por consiguiente, el ZnO en forma de película delgada ha sido uno de los materiales resonadores más estudiados y utilizados para resonadores acústicos de volumen de película delgada . [ 41 ]

Propiedades electrónicas y ópticas

Entre las propiedades favorables del óxido de zinc se incluyen una buena transparencia, alta movilidad electrónica , una amplia banda prohibida y una fuerte luminiscencia a temperatura ambiente . Estas propiedades hacen que el ZnO sea valioso para diversas aplicaciones emergentes: electrodos transparentes en pantallas de cristal líquido , [ 42 ] ventanas de ahorro energético o con protección térmica, [ 25 ] y electrónica como transistores de película delgada y diodos emisores de luz . [ 43 ]

El ZnO es un semiconductor del grupo II-VI y posee una banda prohibida directa relativamente amplia de aproximadamente 3,3 eV a temperatura ambiente. Entre las ventajas asociadas a una banda prohibida amplia se incluyen mayores voltajes de ruptura , capacidad para soportar grandes campos eléctricos, menor ruido electrónico y funcionamiento a alta temperatura y alta potencia. La banda prohibida del ZnO puede ajustarse aún más a aproximadamente 3-4 eV mediante su aleación con óxido de magnesio u óxido de cadmio . [ 13 ] Debido a esta amplia banda prohibida, se han realizado esfuerzos para crear células solares visiblemente transparentes utilizando ZnO como capa absorbente de luz. Sin embargo, estas células solares han demostrado hasta ahora ser altamente ineficientes. [ 44 ]  

La mayoría del ZnO tiene carácter de tipo n , incluso en ausencia de dopaje intencional . [ 13 ] La no estequiometría suele ser el origen de este carácter de tipo n, pero el tema sigue siendo controvertido. [ 45 ] Se ha propuesto una explicación alternativa, basada en cálculos teóricos, que indica que las impurezas de hidrógeno sustitucionales no intencionales son las responsables. [ 46 ] El dopaje de tipo n controlable se logra fácilmente sustituyendo el Zn por elementos del grupo III como Al, Ga, In o sustituyendo el oxígeno por elementos del grupo VII como cloro o yodo . [ 47 ]

El dopaje fiable de tipo p en ZnO sigue siendo difícil. Este problema se origina en la baja solubilidad de los dopantes de tipo p y su compensación por abundantes impurezas de tipo n. Este problema se observa con GaN y ZnSe . La medición del tipo p en un material intrínsecamente de tipo n se complica por la inhomogeneidad de las muestras. [ 48 ]

Las limitaciones actuales del dopaje tipo p restringen las aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas del ZnO, que generalmente requieren uniones de materiales tipo n y tipo p. Entre los dopantes tipo p conocidos se incluyen los elementos del grupo I Li, Na, K; los elementos del grupo V N, P y As; así como el cobre y la plata. Sin embargo, muchos de estos forman aceptores profundos y no producen una conductividad tipo p significativa a temperatura ambiente. [ 13 ]

La movilidad de los electrones del ZnO varía fuertemente con la temperatura y tiene un máximo de ~2000 cm²  / (V·s) a 80 K. [ 49 ] Los datos sobre la movilidad de los huecos son escasos, con valores en el rango de 5 a 30 cm² / (V·s). [ 50 ] 

Los discos de ZnO, que actúan como varistor , son el material activo en la mayoría de los pararrayos . [ 51 ] [ 52 ]

El óxido de zinc se caracteriza por sus propiedades ópticas fuertemente no lineales , especialmente en estado masivo. La no linealidad de las nanopartículas de ZnO se puede ajustar con precisión según su tamaño. [ 53 ]

Producción

Para uso industrial, el ZnO se produce a niveles de 10⁵ toneladas por año [ 25 ] mediante tres procesos principales: [ 24 ]

Proceso indirecto

En el proceso indirecto o francés, el zinc metálico se funde en un crisol de grafito y se vaporiza a temperaturas superiores a 907  °C (normalmente alrededor de 1000  °C). El vapor de zinc reacciona con el oxígeno del aire para producir ZnO, [ 54 ] acompañado de una caída de su temperatura y una intensa luminiscencia. Las partículas de óxido de zinc se transportan a un conducto de enfriamiento y se recogen en un filtro de mangas. Este método indirecto fue popularizado por Edme Jean LeClaire de París en 1844 y, por lo tanto, se conoce comúnmente como el proceso francés. Su producto normalmente consiste en partículas de óxido de zinc aglomeradas con un tamaño promedio de 0,1 a unos pocos micrómetros. En peso, la mayor parte del óxido de zinc del mundo se fabrica mediante el proceso francés.

Proceso directo

El proceso directo o americano comienza con diversos compuestos de zinc contaminados, como minerales de zinc o subproductos de fundición. Los precursores de zinc se reducen ( reducción carbotérmica ) calentándolos con una fuente de carbono como la antracita para producir vapor de zinc, que luego se oxida como en el proceso indirecto. Debido a la menor pureza del material de partida, el producto final también es de menor calidad en el proceso directo en comparación con el indirecto. [ 54 ]

Proceso químico húmedo

Una pequeña parte de la producción industrial implica procesos químicos húmedos, que parten de soluciones acuosas de sales de zinc, a partir de las cuales se precipita carbonato de zinc o hidróxido de zinc . El precipitado sólido se calcina posteriormente a temperaturas cercanas a los 800  °C.

Síntesis de laboratorio

Los colores rojo y verde de estos cristales sintéticos de ZnO resultan de diferentes concentraciones de vacantes de oxígeno. [ 55 ]

Existen numerosos métodos especializados para producir ZnO para estudios científicos y aplicaciones específicas. Estos métodos se pueden clasificar según la forma del ZnO resultante (en masa, en película delgada, en nanocables ), la temperatura ("baja", cercana a la temperatura ambiente, o "alta", cercana a T  ~  1000  °C), el tipo de proceso (deposición de vapor o crecimiento a partir de una solución) y otros parámetros.

Los cristales individuales grandes (de muchos centímetros cúbicos) pueden cultivarse mediante transporte de gas (deposición en fase de vapor), síntesis hidrotermal , [ 37 ] [ 55 ] [ 56 ] o crecimiento por fusión. [ 2 ] Sin embargo, debido a la alta presión de vapor del ZnO, el crecimiento a partir de la fusión es problemático. El crecimiento por transporte de gas es difícil de controlar, lo que hace que el método hidrotermal sea el preferido. [ 2 ] Las películas delgadas pueden producirse mediante una variedad de métodos que incluyen deposición química de vapor , [ 57 ] epitaxia en fase de vapor metalorgánica , electrodeposición , pulverización catódica , pirólisis por pulverización, oxidación térmica , [ 58 ] síntesis sol-gel , deposición de capa atómica y deposición por láser pulsado . [ 59 ]

El óxido de zinc se puede producir a granel por precipitación a partir de compuestos de zinc, principalmente acetato de zinc , en diversas soluciones, como hidróxido de sodio acuoso o carbonato de amonio acuoso . [ 60 ] Los métodos sintéticos caracterizados en la literatura desde el año 2000 tienen como objetivo producir partículas de ZnO con una gran área superficial y una distribución de tamaño mínima, incluyendo métodos de precipitación, mecanoquímicos , sol-gel, microondas y emulsión . [ 61 ]

nanoestructuras de ZnO

Las nanoestructuras de ZnO se pueden sintetizar en una variedad de morfologías, incluyendo nanocables, nanobarras , tetrapodos, nanocintas, nanoflores, nanopartículas, etc. Las nanoestructuras se pueden obtener con la mayoría de las técnicas mencionadas anteriormente, en ciertas condiciones, y también con el método vapor-líquido-sólido . [ 37 ] [ 62 ] [ 63 ] La síntesis se lleva a cabo típicamente a temperaturas de alrededor de 90  °C, en una solución acuosa equimolar de nitrato de zinc y hexamina , esta última proporcionando el entorno básico. Ciertos aditivos, como polietilenglicol o polietilenimina, pueden mejorar la relación de aspecto de los nanocables de ZnO. [ 64 ] El dopaje de los nanocables de ZnO se ha logrado agregando otros nitratos metálicos a la solución de crecimiento. [ 65 ] La morfología de las nanoestructuras resultantes se puede ajustar cambiando los parámetros relacionados con la composición del precursor (como la concentración de zinc y el pH) o con el tratamiento térmico (como la temperatura y la velocidad de calentamiento). [ 66 ]

Se han cultivado nanocables de ZnO alineados sobre sustratos de silicio , vidrio y nitruro de galio pre-sembrados utilizando sales de zinc acuosas como nitrato de zinc y acetato de zinc en entornos básicos. [ 67 ] La pre-sembración de los sustratos con ZnO crea sitios para la nucleación homogénea del cristal de ZnO durante la síntesis. Los métodos comunes de pre-sembración incluyen la descomposición térmica in situ de cristalitos de acetato de zinc , el recubrimiento por centrifugación de nanopartículas de ZnO y el uso de métodos de deposición física de vapor para depositar películas delgadas de ZnO. [ 68 ] [ 69 ] La pre-sembración se puede realizar junto con métodos de modelado descendente como la litografía de haz de electrones y la litografía de nanoesferas para designar sitios de nucleación antes del crecimiento. Los nanocables de ZnO alineados se pueden utilizar en células solares sensibilizadas por colorante y dispositivos de emisión de campo. [ 70 ] [ 71 ]

Aplicaciones

Las aplicaciones del óxido de zinc en polvo son numerosas, y las principales se resumen a continuación. La mayoría de las aplicaciones aprovechan la reactividad del óxido como precursor de otros compuestos de zinc. Para aplicaciones en ciencia de materiales, el óxido de zinc tiene un alto índice de refracción , alta conductividad térmica, propiedades aglutinantes, antibacterianas y de protección UV. En consecuencia, se añade a materiales y productos como plásticos, cerámica, vidrio, cemento, [ 72 ] caucho, lubricantes, [ 12 ] pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, fabricación de hormigón , pigmentos, alimentos, baterías, ferritas y retardantes de llama. [ 73 ]

industria del caucho

Entre el 50% y el 60% del uso de ZnO se encuentra en la industria del caucho. [ 74 ] El óxido de zinc junto con el ácido esteárico se utiliza en la vulcanización con azufre del caucho. [ 24 ] [ 75 ] Los aditivos de ZnO en forma de nanopartículas se utilizan en el caucho como pigmento [ 76 ] y para mejorar su durabilidad, [ 77 ] y se han utilizado en materiales de caucho compuestos, como los basados ​​en montmorillonita , para impartir propiedades germicidas . [ 78 ]

Industria cerámica

La industria cerámica consume una cantidad significativa de óxido de zinc, en particular en composiciones de esmaltes y fritas cerámicas. La capacidad calorífica relativamente alta, la conductividad térmica y la estabilidad a altas temperaturas del ZnO, junto con un coeficiente de expansión relativamente bajo, son propiedades deseables en la producción de cerámica. El ZnO afecta el punto de fusión y las propiedades ópticas de los esmaltes y formulaciones cerámicas. El óxido de zinc, como fundente secundario de baja expansión, mejora la elasticidad de los esmaltes al reducir la variación de la viscosidad en función de la temperatura y ayuda a prevenir el agrietamiento y el agrietamiento. Al sustituir el BaO y el PbO por ZnO, la capacidad calorífica disminuye y la conductividad térmica aumenta. El zinc en pequeñas cantidades mejora el desarrollo de superficies brillantes y lustrosas. Sin embargo, en cantidades moderadas a altas, produce superficies mates y cristalinas. Con respecto al color, el zinc tiene una influencia compleja. [ 74 ]

Medicamento

Tratamiento de la piel

El óxido de zinc, mezclado con aproximadamente un 0,5 % de óxido de hierro(III) (Fe₂O₃ ) , se denomina calamina y se utiliza en la loción de calamina , un tratamiento tópico para la piel. [ 79 ] Históricamente, el nombre calamina se atribuía a un mineral que contenía zinc y que se utilizaba en forma de polvo como medicamento, [ 80 ] pero en 1803 se determinó que el mineral descrito como calamina era en realidad una mezcla de los minerales de zinc smithsonita y hemimorfita . [ 81 ]

El óxido de zinc se usa ampliamente para tratar diversas afecciones de la piel, como dermatitis atópica , dermatitis de contacto , picazón por eccema , dermatitis del pañal y acné . [ 82 ] Se utiliza en productos como talco para bebés y cremas protectoras para tratar la dermatitis del pañal , crema de calamina , champús anticaspa y ungüentos antisépticos . [ 18 ] [ 83 ] A menudo se combina con aceite de ricino para formar una crema emoliente y astringente , la crema de zinc y aceite de ricino, comúnmente utilizada para tratar a los bebés. [ 84 ] [ 85 ]

También es un componente de la cinta adhesiva (llamada "cinta de óxido de zinc") que utilizan los atletas como vendaje para prevenir lesiones en los tejidos blandos durante los entrenamientos. [ 86 ]

Antibacteriano

El óxido de zinc se utiliza en enjuagues bucales y pastas dentales como agente antibacteriano, propuesto para prevenir la formación de placa y sarro , [ 87 ] y para controlar el mal aliento al reducir los gases volátiles y los compuestos volátiles de azufre (CVA) en la boca. [ 88 ] Junto con el óxido de zinc o las sales de zinc, estos productos también suelen contener otros ingredientes activos, como cloruro de cetilpiridinio , [ 89 ] xilitol , [ 90 ] hinokitiol , [ 91 ] aceites esenciales y extractos de plantas . [ 92 ] [ 93 ] El óxido de zinc en polvo tiene propiedades desodorantes y antibacterianas. [ 94 ]

El ZnO se añade a tejidos de algodón, caucho, productos de higiene bucal [ 95 ] [ 96 ] y envases de alimentos [ 97 ] [ 98 ] . La acción antibacteriana mejorada de las partículas finas en comparación con el material a granel no es exclusiva del ZnO y se observa en otros materiales, como la plata [ 99 ] . El mecanismo del efecto antibacteriano del ZnO se ha descrito de diversas maneras como la generación de especies reactivas de oxígeno , la liberación de iones Zn²⁺ y una alteración general de la membrana celular bacteriana por las nanopartículas [ 100 ] .

protector solar

El óxido de zinc se utiliza en protectores solares para absorber la luz ultravioleta . [ 82 ] Es el absorbente de UVA y UVB de espectro más amplio [ 101 ] [ 102 ] aprobado para su uso como protector solar por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), [ 103 ] y es completamente fotoestable. [ 104 ] Cuando se utiliza como ingrediente en un protector solar, el óxido de zinc bloquea tanto los rayos UVA (320–400  nm) como los UVB (280–320  nm) de la luz ultravioleta . El óxido de zinc y el otro protector solar físico más común, el dióxido de titanio , se consideran no irritantes, no alergénicos y no comedogénicos . [ 105 ] Sin embargo, el zinc del óxido de zinc se absorbe ligeramente en la piel. [ 106 ]

Muchos protectores solares utilizan nanopartículas de óxido de zinc (junto con nanopartículas de dióxido de titanio) porque estas partículas tan pequeñas no dispersan la luz y, por lo tanto, no se ven blancas. Las nanopartículas no se absorben en la piel en mayor medida que las partículas de óxido de zinc de tamaño normal [ 107 ] y solo se absorben en la capa más externa de la piel, pero no en el cuerpo. [ 107 ]

Restauración dental

Cuando se mezcla con eugenol , se forma óxido de zinc-eugenol , que tiene aplicaciones como restaurador y protésico en odontología . [ 29 ] [ 108 ]

aditivo alimentario

El óxido de zinc se añade a muchos productos alimenticios, incluidos los cereales para el desayuno , como fuente de zinc, un nutriente esencial . El zinc puede añadirse a los alimentos en forma de nanopartículas de óxido de zinc , o como sulfato de zinc , gluconato de zinc , acetato de zinc o citrato de zinc . [ 109 ] Algunos alimentos también incluyen trazas de ZnO aunque no se utilice como nutriente. [ 110 ]

Pigmento

El óxido de zinc (blanco de zinc) se utiliza como pigmento en pinturas y es más opaco que el litopón , pero menos opaco que el dióxido de titanio . [ 14 ] También se utiliza en recubrimientos para papel. El blanco chino es un grado especial de blanco de zinc utilizado en pigmentos para artistas. [ 111 ] El uso del blanco de zinc como pigmento en la pintura al óleo comenzó a mediados del siglo XVIII. [ 112 ] Ha reemplazado parcialmente al blanco de plomo venenoso y fue utilizado por pintores como Böcklin , Van Gogh , [ 113 ] Manet , Munch y otros, aunque algunos fabricantes de pinturas para artistas lo están eliminando gradualmente debido a su tendencia a formar películas de pintura quebradizas e inestables en los óleos. [ 114 ] [ 115 ] También es un ingrediente principal del maquillaje mineral (CI 77947). [ 116 ]

Absorbedor de rayos UV

El óxido de zinc micronizado y a nanoescala proporciona una fuerte protección contra la radiación ultravioleta UVA y UVB , y por consiguiente se utiliza en protectores solares [ 117 ] y también en gafas de sol con bloqueo UV para uso espacial y para protección durante la soldadura , según investigaciones realizadas por científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro ( JPL ) [ 118 ] .

Recubrimientos

Las pinturas que contienen polvo de óxido de zinc se han utilizado durante mucho tiempo como recubrimientos anticorrosivos para metales. Son especialmente eficaces para el hierro galvanizado. El hierro es difícil de proteger porque su reactividad con los recubrimientos orgánicos provoca fragilidad y falta de adherencia. Las pinturas de óxido de zinc conservan su flexibilidad y adherencia en dichas superficies durante muchos años. [ 73 ]

El ZnO altamente dopado de tipo n con aluminio , galio o indio es transparente y conductor ( transparencia ~90%, resistividad mínima ~10⁻⁴ Ω ·cm [ 119 ] ). Los recubrimientos de ZnO:Al se utilizan para ventanas de ahorro energético o con protección térmica. El recubrimiento permite el paso de la parte visible del espectro, pero refleja la radiación infrarroja (IR) hacia el interior de la habitación (ahorro energético) o impide su entrada (protección térmica), dependiendo de la cara de la ventana que tenga el recubrimiento. [ 25 ]

Los plásticos, como el naftalato de polietileno (PEN), pueden protegerse aplicando un recubrimiento de óxido de zinc. Este recubrimiento reduce la difusión de oxígeno a través del PEN. [ 120 ] Las capas de óxido de zinc también pueden utilizarse en policarbonato para aplicaciones en exteriores. El recubrimiento protege el policarbonato de la radiación solar y disminuye su tasa de oxidación y el amarilleamiento por exposición a la luz. [ 121 ]

Prevención de la corrosión en reactores nucleares

El óxido de zinc empobrecido en 64Zn (el isótopo de zinc con masa atómica 64) se utiliza para la prevención de la corrosión en reactores nucleares de agua a presión . El empobrecimiento es necesario porque el 64Zn se transforma en 65Zn radiactivo bajo la irradiación de los neutrones del reactor. [ 122 ]

Reformado de metano

El óxido de zinc (ZnO) se utiliza como paso de pretratamiento para eliminar el sulfuro de hidrógeno (H₂S ) del gas natural después de la hidrogenación de cualquier compuesto de azufre antes de un reformador de metano , que puede envenenar el catalizador. A temperaturas entre aproximadamente 230–430 °C (446–806 °F) , el H₂S se convierte en agua mediante la siguiente reacción: [ 123 ]  

H₂S + ZnO → H₂O + ZnS

Electrónica

Fotografía de un diodo láser UV de ZnO en funcionamiento y la estructura del dispositivo correspondiente. [ 124 ]
Sensor de gas flexible basado en nanobarras de ZnO y su estructura interna. ITO significa óxido de indio y estaño y PET significa tereftalato de polietileno . [ 125 ]

El ZnO tiene una banda prohibida directa amplia (3,37 eV o 375  nm a temperatura ambiente). Por lo tanto, sus aplicaciones potenciales más comunes son en diodos láser y diodos emisores de luz (LED). [ 126 ] Además, se han reportado no linealidades ultrarrápidas y funciones fotoconductoras en ZnO. [ 127 ] Algunas aplicaciones optoelectrónicas del ZnO se superponen con las del GaN , que tiene una banda prohibida similar (~3,4 eV a temperatura ambiente). En comparación con el GaN, el ZnO tiene una energía de enlace de excitón mayor (~60 meV, 2,4 veces la energía térmica a temperatura ambiente), lo que resulta en una emisión brillante a temperatura ambiente del ZnO. El ZnO se puede combinar con GaN para aplicaciones LED. Por ejemplo, una capa de óxido conductor transparente y nanoestructuras de ZnO proporcionan un mejor acoplamiento de salida de luz. [ 128 ] Otras propiedades del ZnO favorables para aplicaciones electrónicas incluyen su estabilidad a la radiación de alta energía y su capacidad de ser modelado mediante grabado químico húmedo. [ 129 ] La resistencia a la radiación [ 130 ] hace del ZnO un candidato adecuado para aplicaciones espaciales. El ZnO nanoestructurado es un medio eficaz tanto en forma de polvo como policristalina en láseres aleatorios , [ 131 ] debido a su alto índice de refracción y las propiedades de emisión de luz antes mencionadas. [ 132 ]

sensores de gas

El óxido de zinc se utiliza en sensores de gas semiconductores para detectar compuestos presentes en el aire, como sulfuro de hidrógeno , dióxido de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles . El ZnO es un semiconductor que se dopa con tipo n mediante la adsorción de compuestos reductores , lo que reduce la resistencia eléctrica detectada a través del dispositivo, de forma similar a los sensores de gas semiconductores de óxido de estaño , ampliamente utilizados . Se forma en nanoestructuras como películas delgadas, nanopartículas , nanopilares o nanocables para proporcionar una gran superficie de interacción con los gases. Los sensores se vuelven selectivos para gases específicos mediante dopaje o la unión de materiales a la superficie, como metales nobles catalíticos. [ 133 ] [ 134 ]

Aplicaciones ambiciosas

Electrodos transparentes

Las capas de ZnO dopadas con aluminio se utilizan como electrodos transparentes . Los componentes Zn y Al son mucho más baratos y menos tóxicos que el óxido de indio y estaño (ITO) comúnmente utilizado. Una aplicación comercial emergente es el uso de ZnO como contacto frontal para células solares y pantallas de cristal líquido . [ 42 ]

Los transistores de película delgada transparentes (TTFT) se pueden fabricar con ZnO. Como transistores de efecto de campo, no necesitan una unión ap-n, [ 135 ] evitando así el problema del dopaje de tipo p del ZnO. Algunos transistores de efecto de campo incluso utilizan nanobarras de ZnO como canales conductores. [ 136 ]

Piezoelectricidad

Se ha demostrado que la piezoelectricidad en fibras textiles recubiertas de ZnO es capaz de fabricar "nanosistemas autoalimentados" mediante la tensión mecánica cotidiana derivada del viento o los movimientos corporales. [ 137 ] [ 138 ]

Fotocatálisis

El ZnO, tanto a escala macro [ 139 ] como nano [ 140 ] , podría utilizarse en principio como electrodo en fotocatálisis , principalmente como ánodo [ 141 ] en aplicaciones de química verde . Como fotocatalizador, el ZnO reacciona al exponerse a la radiación UV [ 139 ] y se utiliza en reacciones de fotodegradación para eliminar contaminantes orgánicos del medio ambiente. [ 142 ] [ 140 ] También se utiliza para reemplazar catalizadores empleados en reacciones fotoquímicas que normalmente requerirían condiciones de reacción costosas o inconvenientes con bajos rendimientos . [ 139 ]

Otro

Las puntas afiladas de las nanobarras de ZnO podrían utilizarse como emisores de campo . [ 143 ]

El ZnO es un material de ánodo prometedor para baterías de iones de litio debido a su bajo costo, biocompatibilidad y respeto al medio ambiente. El ZnO tiene una capacidad teórica superior (978 mAh g⁻¹ ) a la de muchos otros óxidos de metales de transición como el CoO (715 mAh g⁻¹ ) , el NiO (718 mAh g⁻¹ ) y el CuO (674 mAh g⁻¹ ) . [ 144 ] El ZnO también se utiliza como electrodo en supercondensadores. [ 145 ]

Seguridad

Como aditivo alimentario , el óxido de zinc figura en la lista de sustancias generalmente reconocidas como seguras de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos. [ 146 ]

El óxido de zinc en sí mismo no es tóxico; sin embargo, es peligroso inhalar altas concentraciones de humos de óxido de zinc, como los que se generan al fundir y oxidar zinc o aleaciones de zinc a alta temperatura. Este problema se produce al fundir aleaciones que contienen latón, ya que el punto de fusión del latón es cercano al punto de ebullición del zinc. [ 147 ] La inhalación de óxido de zinc, que puede ocurrir al soldar acero galvanizado (recubierto de zinc) , puede provocar una enfermedad llamada fiebre por humos metálicos . [ 147 ]

En formulaciones de protectores solares que combinaban óxido de zinc con absorbentes UV de molécula pequeña, la luz UV provocó la fotodegradación de los absorbentes de molécula pequeña y toxicidad en ensayos con embriones de pez cebra. [ 148 ]

Véase también

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