کاربرد فناوری نانو در صنایع آرایشی و بهداشتی

کاربرد فناوری نانو در صنایع آرایشی و بهداشتی

1- کرم‌های ضدآفتاب نانویی چگونه کار می‌کنند؟

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 اندازه ذرات، شاهد افزایش جذب نور ماوراءبنفش توسط ذرات (به علت عبور کمترِ اشعه‌ها از بین ذرات) و کاهش پدیده سفیدی (به علت کاهش پدیده پخش نور) هستیم. به‌تازگی روش‌های گوناگون برای تولید نانوذرات، توسعه یافته‌ و بر صنعت کرم‌های ضدآفتاب اثر گذاشته‌اند.

1-1- سفیدی

وقتی ماده نوردهی شود، پدیده‌های زیر دیده می‌شوند:

شکل 1 - شمای نور عبوری و انعکاس‌یافته از یک لایه نازک

- 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 وسیله ذرات ــ برای مثال در کِرِم‌ها ــ است. بنابراین برای کاهش سفیدی باید میزان نور پخش‌شده را کم کرد.

2-1- پخش نور و اندازه ذرات

شدت نور پخش‌شده به وسیله یک تک‌ذره، تابعی از اندازه ذره است. همان‌طور که در شکل 2 به‌روشنی مشاهده می‌شود، با افزایش اندازه ذرات، نور مرئی به علت برخورد با ذرات پخش می‌شود و با برگشت نور به چشم، ذرات سفید دیده می‌شوند. بنابراین، برای کاهش تأثیر سفیدی، کاهش اندازه دانه راهی است بسیار مؤثر.

شکل 2 - الف) نانوماده نور را بدون انحراف از خود عبور می‌دهد، به همین خاطر نسبت به نور شفاف است. ب) مواد با ذرات در ابعاد میکرومتر نور را پراکنده می‌کنند. بنابراین، نسبت به نور، مات و نیمه‌شفاف هستند و سفید دیده می‌شوند.

در شکل 3 میزان پخش نور بر حسب اندازه دانه به نمایش درآمده و مشخص است که با افزایش اندازه ذرات، میزان پخش‌شوندگی نور بیشتر می‌شود.

شکل 3 - میزان پخش نور بر حسب اندازه دانه

3-1- جذب اشعه ماوراءبنفش و بهترین اندازه ذره

نور ماوراءبنفش (UV) طول موج کمتر از نور مرئی و انرژی بیشتر از نور مرئی دارد. قرار گرفتن در مقابل تابش ماوراءبنفش 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 ZnO ناشی از دو اثر است:

الف- جذب فاصله باند

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.

فاصله باند یا «گپ انرژی» چیست؟

می‌دانیم که اتم‌ها از ترازهای انرژی تشکیل شده‌اند 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 «فاصله باند» یا «گپ انرژی» می‌گویند. در جامدهای رسانا نوارهای انرژی می‌توانند پُر، نیمه‌پُر یا خالی از الکترون ــ که در اصطلاح «نوار رسانایی» نامیده می‌شود ــ باشند. همچنین گپ انرژی آن‌ها در مقایسه با نیمه‌هادی‌ها کوچک‌تر است. در نیمه‌هادی‌ها نوارهای انرژی نیمه‌پر وجود ندارند و گپ انرژی آن‌ها کمی بزرگ‌تر از رساناها است. از همین‌رو، الکترون‌ها در رساناها و نیمه‌رساناها می‌توانند با گرفتن مقداری انرژیِ گرمایی ــ برای رساناها کمتر، برای نیمه‌رساناها بیشتر ــ برانگیختگی گرمایی پیدا کنند و از لایه‌های انرژیِ پُر به لایه‌های انرژیِ خالی بروند. این عمل در نارساناها به علت بزرگ بودن گپ انرژی امکان ندارد.

شکل 4 - نوارهای انرژی

ZnO و TiO₂ دارای انرژی باند 3/3 ev تا 3/4 ev مربوط به طول موج‌های تقریباً 365 نانومتر تا 380 نانومتر هستند. نورهای زیر این طول موج‌ها، انرژی کافی برای تحریک الکترون‌ها را 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 اندازه کافی کوچک باشند، شفافیت خوبی در برابر نور مرئی خواهند داشت.

ب- اندازه دانه بهینه برای جذب UV

شکل 5 - تأثیر اندازه دانه بر عبور نور

با ریزتر شدن ذرات، علاوه بر این که در مسیر نور UV ذرات بیشتری برای جذب فاصله باند وجود دارند، نور UV بیشتر پخش خواهد شد. بنابراین، عبور این نور کاهش می‌یابد. جذب فاصله باند به ‌طور کلی تابعی از تعداد اتم‌هایی است که در مسیر نور UV قرار گرفته‌اند. بر اساس تحقیقات تجربی، با کاهش اندازه ذرات، به علت کم شدن فاصله بین آن‌ها برای عبور نور UV، شاهد عبور کمترِ این اشعه هستیم. این موضوع در شکل شماره 5 نشان داده شده است. با توجه به این شکل، در محدوده نور فرابنفش (زیر 400 نانومتر) با کاهش اندازه 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 6 - مقایسه تأثیر متقابل نور در برابر اندازه ذرات مختلف

4-1- SPF چیست؟

کرم‌های ضدآفتاب بر اساس میزان توانایی آن‌ها در جذب و دفع اشعه UV درجه‌بندی می‌شوند. این معیار Sun Protection Factor یا SPF نام دارد. درجات SPF، مانند SPF15 یا SPF20 نشان‌گر آن‌ هستند که مصرف‌کننده آن، قبل از این که دچار آفتاب‌سوختگی بشود، تا چه حد می‌تواند زیر نور آفتاب بماند. برای مثال، شما می‌توانید بدون استفاده از کرم ضد آفتاب ده دقیقه زیر نور خورشید باقی بمانید و احساس سوختگی نکنید. هنگامی که از کرم ضدآفتاب 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 مجدداً از کرم استفاده کنید، میزان محافظت آن بیشتر می‌شود اما، در مقدار زمان ایمن آن تأثیری ندارد.

نتیجه‌گیری

- ایجاد پدیده سفیدی در ضدآفتاب‌ها ناشی از پدیده پخش نور در محدوده نور مرئی (700-400 نانومتر) است. با توجه به شکل 4، این پدیده در ضدآفتاب‌ها با اندازه ذره درشت، بسیار شدیدتر است. به عبارت دیگر، کاهش شفافیت باعث افزایش پدیده سفیدی می‌شود. در شکل 5، با ریزتر شدن ذرات، شاهد عبور بیشتر نور مرئی و در نتیجه کاهش سفیدی و افزایش شفافیت هستیم.

- طبق شکل 6 در محدوده نور UV، با توجه به کمتر بودن فاصله بین ذرات در حالت نانومتری، شاهد عبور کمتر نور هنگام ریزتر شدن ذرات هستیم.