【SDG 7】氧化鋅讓科技開發與永續綠電同時存在
酷暑即將來臨，在戶外是否開始擔心烈陽帶來的肌膚問題？在室內打開冷氣又開始煩惱電費太高，使荷包大失血。其實，這兩個問題可能有一個共通的解方—— 氧化鋅。具有隔絕紫外線的功能，同時也能抗炎和殺菌。此外，氧化鋅還是太陽能科技中極具潛力的材料，因為它能將太陽能轉化為電能，為地球永續盡一份心力！
撰文｜黃鼎鈞
夏天就快到了，是否開始為如何防曬而困擾？從事喜歡戶外活動的民眾，除了要面對熾熱的陽光，更是在煩惱如何保護肌膚。同一時間，科學家也正在尋找更好的半導體材料製作太陽能電池，希望能夠找出更多友善環境的綠電。一個想要阻絕更多陽光，另一個則想吸取更多陽光，兩個看似衝突的問題，氧化鋅（Zinc Oxide）可以一起解決。它一種被廣泛應用的材料，作為防曬乳的成分，又是高效太陽能電池的元件。
氧化鋅乳液：殺菌、消炎又潤濕！
當紫外線穿透皮膚表層進入內部時，長時間的曝曬可能會損壞細胞和DNA，從而導致肌膚老化和增加罹患癌症的風險。氧化鋅防曬的主要功效來自於它能夠反射和散射紫外線，當其塗在皮膚表面時，能夠反射太陽光中的紫外線，使其不會穿透到皮膚內部，進而降低皮膚受到紫外線傷害的風險。此外，氧化鋅還具有良好的吸附性能，能夠在皮膚表面形成一層保護層，減少水分蒸發，同時保持皮膚的水分和柔軟度。
人的皮膚被蚊蟲叮咬時，常會引起癢、發炎反應。如果抓太大力，可能還會流血而有細菌感染的風險。傷口被感染時，細胞會分泌激素促進發炎反應，但過度的發炎常常造成傷患的不適感。氧化鋅能夠抑制細胞分泌發炎激素，進而防止發炎反應擴散，減輕傷患不適感。同時，當氧化鋅接觸到細菌或真菌時，會穿透這些微生物的細胞膜並破壞細胞內部的酶和蛋白質，導致細菌死亡，這種作用可以抑制微生物的生長和繁殖，達到抗菌效果。
為了提高氧化鋅的反應能力，許多產品使用更小顆粒的氧化鋅作為添加物，以增加其表面積和活性表面。有些產品甚至聲稱使用奈米級氧化鋅。然而，近年來的研究發現，如果氧化鋅顆粒小於100奈米，它的物化性質可能會改變，進而對人體產生潛在危害。目前仍未有確定的結論，有待科學家進一步探索此議題。
太陽能科技中的氧化鋅
氧化鋅屬於寬能隙半導體材料（能隙大小約為 3.36 電子伏特），相較於經典半導體材料矽（能隙大小約為 1.1 電子伏特），其能隙更大。能隙是指電子從價帶至傳導帶所需克服的能量差，換言之，半導體在原本不導電的狀態，當電子能從價帶移至傳導帶時便能成為導體。一般人體接受的紫外線波長介於 280 nm 至 400 nm 之間，即能量範圍為 3.1 電子伏特至 4.4 電子伏特。這個能量範圍正好對應氧化鋅的能隙大小。因此，氧化鋅容易與紫外線產生交互作用，也就是為什麼紫外線容易在碰到氧化鋅時產生散射或反射，可以做為防曬乳來隔絕紫外線對皮膚的傷害。（補充：散射是指當紫外線遇到氧化鋅時，失去了部分的能量；反射是指紫外線按照原本的能量被反彈回去）
由於氧化鋅的能隙特性，使得紫外線恰好能夠激發氧化鋅成為導體，進而將太陽能轉化為電能。此外，氧化鋅還具有良好的電子遷移率，也就是材料中電子移動的能力或速度，它反映材料中電子在電場作用下移動的困難程度。高電子遷移性的材料可以更有效地傳遞電荷，因此氧化鋅在太陽能科技中具有極大的潛力。相對於其他半導體材料，氧化鋅的製備相對容易，結構穩定，且成本較低，有助於降低太陽能綠電的成本，氧化鋅成為一種友善環境的綠色能源材料！
以往的科技發展似乎無可避免地對地球造成破壞，現在發現氧化鋅不僅可以用於防曬產品，還可應用於半導體及太陽能電池等領域。意味著，享受科技進步的同時，也保護地球資源。隨著更多科學家投入研究，將能夠找到更多類似的材料，看似衝突的議題中找到更多解決方案，實現人與自然和諧共處的目標。
參考資料：
- Subramaniam, V., Prasad, S. V., Banerjee, A., Gopinath, M., Murugesan, R., Marotta, F., Sun, X., & Pathak, S. (2019). Health hazards of nanoparticles: understanding the toxicity mechanism of nanosized ZnO in cosmetic products. Drug and Chemical Toxicology, 42(1), 84–93. https://doi.org/10.1080/01480545.2018.1491987
- Wibowo, A., Marsudi, M. A., Amal, M. I., Ananda, M. B., Stephanie, R., Ardy, H., & Diguna, L. J. (2020). ZnO nanostructured materials for emerging solar cell applications. RSC Advances, 10(70), 42838–42859. https://doi.org/10.1039/d0ra07689a