صنایع آرایشی از اکسیدهای غیرآلی، نظیر اکسید روی و تیتانیم، استفاده می‌کنند، اما استفاده از این اکسیدها به علت خاصیت سفیدکنندگی روی پوست محدود است. سفیدی به طور مستقیم با پخش نور رابطه دارد. به طور کلی با کاهش اندازة ذرات، شاهد افزایش جذب نور ماوراء بنفش توسط ذرات (به علت عبور کمترِ اشعه‌ها از بین ذرات) و کاهش پدیدة سفیدی (به علت کاهش پدیدة پخش نور) هستیم. به‌تازگی روش‌های گوناگون برای تولید نانوذرات، توسعه یافته و بر صنعت کرمهای ضدآفتاب اثر گذاشته‌اند.
1. سفیدی
وقتی ماده نوردهی شود، پدیده‌های زیر دیده می‌شوند:
1? عبور نور که منجر به گذشتن آن از ماده بدون هیچ تأثیر متقابلی است؛
2? نورِ نافذ که منجر به پخش نور میشود؛
3? انعکاس نور از سطح، مانند آنچه در آینه رخ می‌دهد؛
4? انعکاس نفوذی که منجر به پخش نور از سطح میشود.
در شکل 1 پدیده‌های گفته‌شده نشان داده شده‌اند. اثر سفیدی ناشی از پخش نور به وسیلة ذرات ــ برای مثال در کِرِم‌ها ــ است. بنابراین، برای کاهش سفیدی باید میزان نور پخش‌شده را کم کرد.
شکل 1: شمای نور عبوری و انعکاس یافته از یک سطح نازک’
2. پخش نور و اندازة ذرات :
شدت نور پخش‌شده به وسیلة یک تک‌ذره، تابعی از اندازة ذره است. همان‌طور که در شکل 2 به‌روشنی مشاهده میشود، با افزایش اندازة ذرات، نور مرئی به علت برخورد با ذرات پخش میشود و با برگشت نور به چشم، ذراتْ سفید دیده می‌شوند. بنابراین، برای کاهش تأثیر سفیدی، کاهش اندازة دانه راهی است بسیار مؤثر.
شکل2: الف. نانوماده نور را بدون انحراف از خود عبور می‌دهد، به همین خاطر نسبت به نور شفاف است.
شکل 2: ب. مواد با ذرات در ابعاد میکرومتر نور را پراکنده می‌کنند. بنابراین، نسبت به نور مات و نیمه‌شفاف‌اند و سفید دیده می‌شوند.
در شکل 3 میزان پخش نور بر حسب اندازة دانه به نمایش درآمده و مشخص است که با افزایش اندازة ذرات، میزان پخش‌شوندگی نور بیشتر میشود.
شکل 3 : میزان پخش نور بر حسب اندازة دانه
3. جذب اشعة ماورای بنفش و بهترین اندازة ذره
نور ماورای بنفش (UV) طول موج کمتر از نور مرئی و انرژی بیشتر از نور مرئی دارد. قرار گرفتن در مقابل تابش ماورای بنفش از مهم‌ترین علل آسیب‌های پوستی و سرطان پوست است. به همین خاطر، جذب این اشعه و ممانعت از رسیدن آن به پوست بدن موضوع تحقیق بسیاری از مراکز علمی دنیا برای سالیان طولانی بوده است. جذب UV در مواد غیرآلی نظیر TiO2 و ZnOناشی از دو اثر است:
الف ـ جذب فاصلة باند؛
ب ـ پخش نور UV
الف ـ جذب فاصله باندی
اکسید روی و اکسید تیتانیم نیمه‌هادی‌اند و به‌شدت نور UV را جذب و نور مرئی را عبور میدهند. سازوکارِ جذب UV در این مواد شامل مصرف انرژی فوتون برای تهییج الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی است.
فاصلة باندی یا «گپ انرژی» چیست؟
میدانیم که اتمها از ترازهای انرژی تشکیل شده اند و این ترازهای انرژیِ حاوی الکترون، در جسم جامد تشکیل نوارهایی را میدهند که الکترون‌ها در آنها قرار گرفته‌اند.
اما فضاهایی بین این نوارهای انرژی وجود دارند که هیچ نوار حاوی الکترونی نمیتواند در آنها جا بگیرد. این فضاها را «فاصلة باندی» یا «گپ انرژی» میگویند. در جامدهای رسانا نوارهای انرژی می توانند پر، نیمه‌پر یا خالی از الکترون که در اصطلاح «نوار رسانایی» نامیده می شود باشند. همچنین گپ انرژی آنها در مقایسه با نیمه‌هادی ها کوچک‌تر است. در نیمه‌هادی ها نوارهای انرژی نیمه‌پر وجود ندارند و گپ انرژی آنها کمی بزرگ‌تر از رساناهاست. از همین رو، الکترون‌ها در رسانا¬ها و نیمه‌رساناها می توانند با گرفتن مقداری انرژیِ گرمایی برای رساناها کمتر، برای نیمه‌رساناها بیشتر برانگیختگی گرمایی پیدا کنند و از لایه های انرژیِ پُر به لایه های انرژیِ خالی بروند. این عمل در نارساناها به علت بزرگ بودن گپ انرژی امکان ندارد.
TiO2 دارای انرژی باند ev3/3 تا ev4/3 می باشد که مربوط به طول موج‌های تقریباً 365 نانومتر تا 380 نانومتر هستند. نورهای زیر این طول موج‌ها انرژی کافی برای تحریک الکترون‌ها دارند. به بیان ساده، الکترون‌های این ذرات انرژی نور UV را جذب می‌کنند و از رسیدن این امواج به پوست مانع می‌شوند. پس ZnO و TiO2 دارای خاصیت شدید در جذب UV هستند و اگر به اندازة کافی کوچک باشند، شفافیت خوبی در برابر نور مرئی خواهند داشت.
ب ـ اندازة دانة بهینه برای جذب UV
با ریزتر شدن ذرات، علاوه بر اینکه در مسیر نور UV ذرات بیشتری برای جذب فاصلة باند وجود دارند، نور UV بیشتر پخش خواهد شد. بنابراین، عبور این نور کاهش می¬یابد. جذب فاصلة باند به طور کلی تابعی از تعداد اتم‌هایی است که در مسیر نور UV قرار گرفته‌اند. بر اساس تحقیقات تجربی، با کاهش اندازة ذرات، به علت کم شدن فاصلة بین آنها برای عبور نور UV، شاهد عبور کمترِ این اشعه هستیم. این موضوع در شکل شمارة 4 نشان داده شده است. با توجه به این شکل، در محدودة نور فرابنفش (زیر 400 نانومتر) با کاهش اندازة ذرات، عبور نور کمتر خواهد شد. همین پدیده است که متخصصان را به تولید محصولات ضدآفتاب با خاصیت جذب (SPF) بالاتر رهنمون شده است.
شکل 5: تأثیر اندازة دانه بر عبور نور
مثال، شما می‌توبمانید و احساس سوختگی نکنید. هنگامی که از کرم ضد آفتاب استفاده می‌کنید، میتوانید زمان 10 دقیقه را ضرب در میزان SPF کرم کنید و به مقدار زمان به دست آمده زیر آفتاب بمانید. اگر SPF کرم شما 15 باشد، شما 150 دقیقه یا 2 ساعت و نیم میتوانید در آفتاب بمانید. اگر پس از مدتی مجددا از کرم استفاده کنید، میزان محافظت آن بیشتر میشود اما، در مقدار زمان ایمن آن تاثیری ندارد.
نتایج:
1- ایجاد پدیده سفیدی در ضد آفتاب ها ناشی از پدیده پخش نوردر محدوده نور مرئی(400-700 نانومتر) است. با توجه به شکل 4 این پدیده در ضد آفتاب ها با اندازه ذره درشت، بسیار شدیدتر است.به عبارت دیگر کاهش شفافیت باعث افزایش پدیده سفیدی می شود.در شکل 5 با ریزتر شدن ذرات شاهد عبور بیشتر نور مرئی و در نتیجه کاهش سفیدی و افزایش شفافیت هستیم.
2- در محدوده نور UV با توجه به کمتر بودن فاصله بین ذرات در حالت نانومتری شاهد عبور کمتر نور هنگام ریزتر شدن ذرات هستیم.
منبع : انجمن funex
