ست طرق رئيسية لتعديل أكسيد الزنك النانوي

أكسيد الزنك النانوي نوع جديد من المواد الكيميائية الدقيقة غير العضوية الوظيفية. بفضل صغر حجم جسيماته ومساحته السطحية النوعية الكبيرة، يتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة في الكيمياء والبصريات والأحياء والإلكترونيات. ويُستخدم على نطاق واسع في الإضافات المضادة للميكروبات، والمحفزات، والمطاط، والأصباغ، والأحبار، والطلاءات، والزجاج، والسيراميك الكهرضغطي، والإلكترونيات البصرية، والتطبيقات الكيميائية اليومية، ويحمل إمكانات واعدة للتطوير والاستخدام.

ومع ذلك، نظرًا لمساحته السطحية النوعية الكبيرة وطاقته السطحية النوعية العالية، يُظهر أكسيد الزنك النانوي قطبية سطحية قوية، وعرضة للتكتل الذاتي، ويصعب تشتته بالتساوي في الأوساط العضوية، مما يحد بشكل كبير من تأثيره النانوي. لذلك، يُعد تشتت مساحيق أكسيد الزنك النانوي وتعديل سطحها من المعالجات الأساسية قبل تطبيق المواد النانوية في المصفوفات.

١. تعديل المواد الخافضة للتوتر السطحي

يتضمن تعديل المواد الخافضة للتوتر السطحي التفاعل الكهروستاتيكي للمواد الخافضة للتوتر السطحي لتشكيل طبقة عضوية على سطح المواد النانوية، مما يُحسّن توافقها مع المواد العضوية.

على الرغم من بساطة تعديل المواد الخافضة للتوتر السطحي، إلا أن فعاليته ضعيفة عمومًا، مما يُصعّب تشكيل طبقة مستقرة ومتينة على سطح المواد النانوية.

٢. التعديل الميكانيكي الكيميائي

يستخدم التعديل الميكانيكي الكيميائي قوى ميكانيكية لتغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد النانوية، مما يُعزز تقاربها وتفاعلها مع المواد الأخرى.

ومع ذلك، عادةً ما يستغرق التعديل الميكانيكي الكيميائي وقتًا طويلاً، وعادةً ما تكون نتائجه ضعيفة على المواد النانوية.

٣. التعديل عالي الطاقة

يتضمن التعديل عالي الطاقة بلمرة مونومرات المركبات العضوية باستخدام البلازما أو المعالجة الإشعاعية، والتي تُغلف سطح المادة النانوية بعد ذلك.

يُحقق التعديل عالي الطاقة عمومًا نتائج أفضل من الطريقتين السابقتين، إلا أن له عيوبًا مثل استهلاكه العالي للطاقة وصعوبة تقنية.

٤. تعديل الأسترة

الأسترة هي طريقة لتعديل الأسطح، تستخدم مجموعات الأحماض الكربوكسيلية في مُعدِّلات، مثل الأحماض الدهنية العالية أو الأحماض العضوية غير المشبعة، للتفاعل مع مجموعات الهيدروكسيل على سطح مادة نانوية لتحقيق الأسترة.

طريقة الأسترة بسيطة، لكن تأثيرها التعديلي ضعيف، وعادةً ما يتطلب استخدامها مع عامل اقتران.

٥. تطعيم البوليمرات

يتضمن تطعيم البوليمرات أولًا تطعيم مونومر بوليمري على سطح مادة نانوية، ثم بدء تفاعل بلمرة لتمديد سلسلة الكربون، وأخيرًا السماح للبوليمر بتغطية المادة النانوية بالكامل.

تُعد طريقة تطعيم البوليمرات معقدة في التشغيل، ويتأثر تأثير التعديل بعوامل مختلفة، مما يجعل من الصعب تطبيقها على نطاق واسع.

٦. تعديل عامل الاقتران

يعتمد عامل الاقتران على عنصر سيليكوني أو معدني، مع مجموعتين مختلفتين على كلا الجانبين، يمكنهما الاتصال بمصفوفات عضوية وغير عضوية. تعمل هذه المكونات الثلاثة معًا لتحقيق التعديل الكيميائي للمادة النانوية. عُدِّل أكسيد الزنك النانوي باستخدام عامل اقتران السيلان APS. وُزِّع كلٌّ من أكسيد الزنك النانوي المُعدَّل وغير المُعدَّل في الإيثانول اللامائي لتحضير أحبار الطباعة لاستخدامها كمواد لطبقة نقل الإلكترونات في الخلايا الكهروضوئية. ثم قورن أداء الحبرين. أظهرت النتائج أن أكسيد الزنك النانوي المُعدَّل كان أفضل تشتتًا في الإيثانول اللامائي وظلَّ مُتكتِّلًا لمدة 12 شهرًا. أظهرت مادة طبقة نقل الإلكترونات المُحضَّرة بهذا العامل كفاءة نقل إلكترون أعلى، ويمكنها تلبية معايير أداء الأجهزة عند سماكات أقل.

عُدِّل أكسيد الزنك النانوي كيميائيًا باستخدام عوامل اقتران السيلان التي تحتوي على مجموعات وظيفية من الجليسيلوكسي والأمينو. أُدمج كلٌّ من أكسيد الزنك النانوي المُعدَّل وغير المُعدَّل في طلاءات الإيبوكسي لاختبار مقاومة العوامل الجوية. أظهرت النتائج أن طلاءات الإيبوكسي المُدمجة بأكسيد الزنك النانوي المُعدّل بعامل اقتران غليسيلوكسي سيلان أظهرت تغيرات أقل بكثير في زاوية التلامس واللون ومجموعات الكربونيل بعد 450 ساعة من التجوية المُسرّعة، مما يُظهر تحسنًا ملحوظًا في مقاومة التجوية مقارنةً بطلاءات الإيبوكسي المُدمجة بأكسيد الزنك النانوي غير المُعدّل.

تُعدّ طريقة عامل الاقتران أكثر طرق التعديل واعدةً نظرًا لبساطة عمليتها وتأثيرها الجيد وانخفاض تكلفتها.

بمقارنة طرق تعديل الأسطح المختلفة المذكورة أعلاه، ومع مراعاة كل من تأثير التعديل وصعوبته، يُمكن ملاحظة أن طريقة الأسترة وطريقة عامل الاقتران أكثر ملاءمة لتعديل أسطح المواد النانوية.