tania
10-15-2010, 08:03 PM
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
صنایع آرایشی از اكسیدهای غیرآلی، نظیر اكسید روی و تیتانیم، استفاده می‌كنند، اما استفاده از این اكسیدها به علت خاصیت سفیدكنندگی روی پوست محدود است. سفیدی به طور مستقیم با پخش نور رابطه دارد. به طور كلی با كاهش اندازة ذرات، شاهد افزایش جذب نور ماوراء بنفش توسط ذرات (به علت عبور كمترِ اشعه‌ها از بین ذرات) و كاهش پدیدة سفیدی (به علت كاهش پدیدة پخش نور) هستیم. به‌تازگی روش‌های گوناگون برای تولید نانوذرات، توسعه یافته و بر صنعت کرم‌های ضدآفتاب اثر گذاشته‌اند.
۱. سفیدی
وقتی ماده نوردهی شود، پدیده‌های زیر دیده می‌شوند:
شكل ۱: شِمای نور عبوری و انعكاس‌یافته از یك لایة نازك
۱. عبور نور که منجر به گذشتن آن از ماده بدون هیچ تأثیر متقابلی است؛
۲. نورِ نافذ که منجر به پخش نور میشود؛
۳. انعکاس نور از سطح، مانند آنچه در آینه رخ می‌دهد؛
۴. انعکاس نفوذی که منجر به پخش نور از سطح میشود.
در شکل ۱ 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 كرد.
۲. پخش نور و اندازة ذرات
شدت نور پخش‌شده به وسیلة یک تک‌ذره، تابعی از اندازة ذره است. همان‌طور كه در شكل ۲ 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.
شكل۲: الف. نانوماده نور را بدون انحراف از خود عبور می‌دهد، به همین خاطر نسبت به نور شفاف است.
ب. مواد با ذرات در ابعاد میكرومتر نور را پراكنده می‌كنند. بنابراین، نسبت به نور مات و نیمه‌شفاف‌اند و سفید دیده می‌شوند.
در شكل ۳ میزان پخش نور بر حسب اندازة دانه به نمایش درآمده و مشخص است كه با افزایش اندازة ذرات، میزان پخش‌شوندگی نور بیشتر میشود.
۳. جذب اشعة ماورای بنفش و بهترین اندازة ذره
نور ماورای بنفش (UV) طول موج كمتر 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 مراكز علمی دنیا برای سالیان طولانی بوده است. جذب UV در مواد غیرآلی نظیر TiO۲ و ZnOناشی از دو اثر است:
الف ـ جذب فاصلة باند؛
ب ـ پخش نور UV
الف ـ جذب فاصلة باندی
اکسید روی و اکسید تیتانیم نیمه‌هادی‌اند و به‌شدت نور UV را جذب و نور مرئی را عبور می‌دهند. سازوكارِ 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؟
می¬دانیم که اتم¬ها از ترازهای انرژی تشکیل شده¬اند و این ترازهای انرژیِ حاوی الکترون، در جسم جامد تشکیل نوارهایی را می¬دهند که الکترون‌ها در آنها قرار ¬گرفته‌اند.
اما فضاهایی بین این نوارهای انرژی وجود دارند که هیچ نوار حاوی الکترونی نمی¬تواند در آنها جا بگیرد. این فضاها را «فاصلة باندی» یا «گپ انرژی» می¬گویند. در جامدهای رسانا نوارهای انرژی می¬توانند پر، نیمه‌پر یا خالی از الکترون ــ که در اصطلاح «نوار رسانایی» نامیده می¬شود ــ 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 ــ برای رساناها کم‌تر، برای نیمه‌رساناها بیشتر ــ برانگیختگی گرمایی پیدا كنند و از لایه¬های انرژیِ پُر به لایه¬های انرژیِ خالی بروند. این عمل در نارساناها به علت بزرگ بودن گپ انرژی امکان ندارد.
ZnO و TiO۲ دارای انرژی باند ev۳/۳ تا ev۴/۳ مربوط به طول موج‌های تقریباً ۳۶۵ نانومتر تا ۳۸۰ نانومتر هستند. نورهای زیر این طول موج‌ها انرژی کافی برای تحریك الکترون‌ها دارند. به بیان ساده، الكترون‌های این ذرات انرژی نور UV را جذب می‌كنند و از رسیدن این امواج به پوست مانع می‌شوند. پس ZnO و TiO۲ 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
شكل ۴: تأثیر اندازة دانه بر عبور نور
با ریزتر شدن ذرات، علاوه بر اینكه در مسیر نور UV ذرات بیشتری برای جذب فاصلة باند وجود دارند، نور UV بیشتر پخش خواهد شد. بنابراین، عبور این نور كاهش 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 كمترِ این اشعه هستیم. این موضوع در شکل شمارة ۴ نشان داده شده است. با توجه به این شكل، در محدودة نور فرابنفش (زیر ۴۰۰ نانومتر) با كاهش اندازة ذرات، عبور نور كمتر خواهد شد. همین پدیده است كه متخصصان را به تولید محصولات ضدآفتاب با خاصیت جذب (SPF) بالاتر رهنمون شده است.
شكل ۵: مقایسة تأثیر متقابل نور در برابر اندازة ذرات مختلف
SPF چیست؟
کرم‌های ضدآفتاب بر اساس میزان توانایی آنها در جذب و دفع اشعة UV درجه‌بندی می‌شوند. این معیار Sun Protection Factor یا SPF نام دارد. درجات SPF، مانند SPF۱۵ یا SPF۲۰ نشان‌گر آن‌اند که مصرف‌کنندة آن قبل از اینکه 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 ضد آفتاب استفاده می‌کنید، میتوانید زمان ۱۰ دقیقه را ضرب در میزان SPF کرم کنید و به مقدار زمان به دست آمده زیر آفتاب بمانید. اگر SPF کرم شما ۱۵ باشد، شما ۱۵۰ دقیقه یا ۲ 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:
۱- ایجاد پدیده سفیدی در ضد آفتاب ها ناشی از پدیده پخش نوردر محدوده نور مرئی(۴۰۰-۷۰۰ نانومتر) است. با توجه به شكل ۴ این پدیده در ضد آفتاب ها با اندازه ذره درشت، بسیار شدیدتر است.به عبارت دیگر كاهش شفافیت باعث افزایش پدیده سفیدی می شود.در شكل ۵ با ریزتر شدن ذرات شاهد عبور بیشتر نور مرئی و در نتیجه كاهش سفیدی و افزایش شفافیت هستیم.
۲- بر طبق شكل ۵ در محدوده نور UV با توجه به كمتر بودن فاصله بین ذرات در حالت نانومتری شاهد عبور كمتر نور هنگام ریزتر شدن ذرات هستیم.
صنایع آرایشی از اكسیدهای غیرآلی، نظیر اكسید روی و تیتانیم، استفاده می‌كنند، اما استفاده از این اكسیدها به علت خاصیت سفیدكنندگی روی پوست محدود است. سفیدی به طور مستقیم با پخش نور رابطه دارد. به طور كلی با كاهش اندازة ذرات، شاهد افزایش جذب نور ماوراء بنفش توسط ذرات (به علت عبور كمترِ اشعه‌ها از بین ذرات) و كاهش پدیدة سفیدی (به علت كاهش پدیدة پخش نور) هستیم. به‌تازگی روش‌های گوناگون برای تولید نانوذرات، توسعه یافته و بر صنعت کرم‌های ضدآفتاب اثر گذاشته‌اند.
۱. سفیدی
وقتی ماده نوردهی شود، پدیده‌های زیر دیده می‌شوند:
شكل ۱: شِمای نور عبوری و انعكاس‌یافته از یك لایة نازك
۱. عبور نور که منجر به گذشتن آن از ماده بدون هیچ تأثیر متقابلی است؛
۲. نورِ نافذ که منجر به پخش نور میشود؛
۳. انعکاس نور از سطح، مانند آنچه در آینه رخ می‌دهد؛
۴. انعکاس نفوذی که منجر به پخش نور از سطح میشود.
در شکل ۱ 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 كرد.
۲. پخش نور و اندازة ذرات
شدت نور پخش‌شده به وسیلة یک تک‌ذره، تابعی از اندازة ذره است. همان‌طور كه در شكل ۲ 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.
شكل۲: الف. نانوماده نور را بدون انحراف از خود عبور می‌دهد، به همین خاطر نسبت به نور شفاف است.
ب. مواد با ذرات در ابعاد میكرومتر نور را پراكنده می‌كنند. بنابراین، نسبت به نور مات و نیمه‌شفاف‌اند و سفید دیده می‌شوند.
در شكل ۳ میزان پخش نور بر حسب اندازة دانه به نمایش درآمده و مشخص است كه با افزایش اندازة ذرات، میزان پخش‌شوندگی نور بیشتر میشود.
۳. جذب اشعة ماورای بنفش و بهترین اندازة ذره
نور ماورای بنفش (UV) طول موج كمتر 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 مراكز علمی دنیا برای سالیان طولانی بوده است. جذب UV در مواد غیرآلی نظیر TiO۲ و ZnOناشی از دو اثر است:
الف ـ جذب فاصلة باند؛
ب ـ پخش نور UV
الف ـ جذب فاصلة باندی
اکسید روی و اکسید تیتانیم نیمه‌هادی‌اند و به‌شدت نور UV را جذب و نور مرئی را عبور می‌دهند. سازوكارِ 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؟
می¬دانیم که اتم¬ها از ترازهای انرژی تشکیل شده¬اند و این ترازهای انرژیِ حاوی الکترون، در جسم جامد تشکیل نوارهایی را می¬دهند که الکترون‌ها در آنها قرار ¬گرفته‌اند.
اما فضاهایی بین این نوارهای انرژی وجود دارند که هیچ نوار حاوی الکترونی نمی¬تواند در آنها جا بگیرد. این فضاها را «فاصلة باندی» یا «گپ انرژی» می¬گویند. در جامدهای رسانا نوارهای انرژی می¬توانند پر، نیمه‌پر یا خالی از الکترون ــ که در اصطلاح «نوار رسانایی» نامیده می¬شود ــ 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 ــ برای رساناها کم‌تر، برای نیمه‌رساناها بیشتر ــ برانگیختگی گرمایی پیدا كنند و از لایه¬های انرژیِ پُر به لایه¬های انرژیِ خالی بروند. این عمل در نارساناها به علت بزرگ بودن گپ انرژی امکان ندارد.
ZnO و TiO۲ دارای انرژی باند ev۳/۳ تا ev۴/۳ مربوط به طول موج‌های تقریباً ۳۶۵ نانومتر تا ۳۸۰ نانومتر هستند. نورهای زیر این طول موج‌ها انرژی کافی برای تحریك الکترون‌ها دارند. به بیان ساده، الكترون‌های این ذرات انرژی نور UV را جذب می‌كنند و از رسیدن این امواج به پوست مانع می‌شوند. پس ZnO و TiO۲ 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
شكل ۴: تأثیر اندازة دانه بر عبور نور
با ریزتر شدن ذرات، علاوه بر اینكه در مسیر نور UV ذرات بیشتری برای جذب فاصلة باند وجود دارند، نور UV بیشتر پخش خواهد شد. بنابراین، عبور این نور كاهش 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 كمترِ این اشعه هستیم. این موضوع در شکل شمارة ۴ نشان داده شده است. با توجه به این شكل، در محدودة نور فرابنفش (زیر ۴۰۰ نانومتر) با كاهش اندازة ذرات، عبور نور كمتر خواهد شد. همین پدیده است كه متخصصان را به تولید محصولات ضدآفتاب با خاصیت جذب (SPF) بالاتر رهنمون شده است.
شكل ۵: مقایسة تأثیر متقابل نور در برابر اندازة ذرات مختلف
SPF چیست؟
کرم‌های ضدآفتاب بر اساس میزان توانایی آنها در جذب و دفع اشعة UV درجه‌بندی می‌شوند. این معیار Sun Protection Factor یا SPF نام دارد. درجات SPF، مانند SPF۱۵ یا SPF۲۰ نشان‌گر آن‌اند که مصرف‌کنندة آن قبل از اینکه 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 ضد آفتاب استفاده می‌کنید، میتوانید زمان ۱۰ دقیقه را ضرب در میزان SPF کرم کنید و به مقدار زمان به دست آمده زیر آفتاب بمانید. اگر SPF کرم شما ۱۵ باشد، شما ۱۵۰ دقیقه یا ۲ 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:
۱- ایجاد پدیده سفیدی در ضد آفتاب ها ناشی از پدیده پخش نوردر محدوده نور مرئی(۴۰۰-۷۰۰ نانومتر) است. با توجه به شكل ۴ این پدیده در ضد آفتاب ها با اندازه ذره درشت، بسیار شدیدتر است.به عبارت دیگر كاهش شفافیت باعث افزایش پدیده سفیدی می شود.در شكل ۵ با ریزتر شدن ذرات شاهد عبور بیشتر نور مرئی و در نتیجه كاهش سفیدی و افزایش شفافیت هستیم.
۲- بر طبق شكل ۵ در محدوده نور UV با توجه به كمتر بودن فاصله بین ذرات در حالت نانومتری شاهد عبور كمتر نور هنگام ریزتر شدن ذرات هستیم.