تكنولوجيا النانو والمواد النانوية: ثاني أكسيد التيتانيوم النانومتري في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس

تكنولوجيا النانو والمواد النانوية: ثاني أكسيد التيتانيوم النانومتري في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس

كلمات مقتبسة

حوالي 5% من الأشعة المنبعثة من الشمس هي أشعة فوق بنفسجية بطول موجي ≤400 نانومتر. تنقسم الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس إلى: أشعة فوق بنفسجية طويلة الموجة بطول موجي يتراوح بين 320 و400 نانومتر، وتُسمى الأشعة فوق البنفسجية من النوع أ (UVA)؛ وأشعة فوق بنفسجية متوسطة الموجة بطول موجي يتراوح بين 290 و320 نانومتر، وتُسمى الأشعة فوق البنفسجية من النوع ب (UVB)؛ وأشعة فوق بنفسجية قصيرة الموجة بطول موجي يتراوح بين 200 و290 نانومتر، وتُسمى الأشعة فوق البنفسجية من النوع ج.

نظرًا لقصر موجاتها وطاقتها العالية، تتمتع الأشعة فوق البنفسجية بقوة تدميرية هائلة، مما قد يُلحق الضرر بالبشرة، ويُسبب الالتهابات أو حروق الشمس، ويُسبب سرطان الجلد بشكل خطير. وتُعتبر الأشعة فوق البنفسجية ب العامل الرئيسي المُسبب لالتهابات الجلد وحروق الشمس.

1. مبدأ حماية الأشعة فوق البنفسجية باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي

TiO_2 هو شبه موصل من النوع N. الشكل البلوري لـ TiO_2 النانوي المستخدم في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس هو عادةً الروتيل، وعرض نطاقه المحظور 3.0 إلكترون فولت. عند تعريض TiO_2 لأشعة فوق البنفسجية بطول موجي أقل من 400 نانومتر، يمكن للإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ امتصاص هذه الأشعة والتوجه إلى نطاق التوصيل، مما يؤدي إلى توليد أزواج إلكترون-فجوة في الوقت نفسه، وبالتالي، يمتلك TiO_2 وظيفة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. بفضل حجم الجسيمات الصغير وكثافتها العالية، يزيد هذا بشكل كبير من احتمالية حجب أو اعتراض الأشعة فوق البنفسجية.

2. خصائص ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس

2.1

كفاءة عالية في حماية الجسم من الأشعة فوق البنفسجية

تُعبّر قيمة عامل الحماية من الشمس (SPF) عن قدرة مستحضرات التجميل الواقية من الشمس على حماية نفسها من الأشعة فوق البنفسجية، وكلما ارتفعت هذه القيمة، كان تأثيرها أفضل. يُعرّف هذا المعامل بأنه نسبة الطاقة اللازمة لإحداث أقل احمرار ملحوظ للبشرة المطلية بمنتجات واقية من الشمس إلى الطاقة اللازمة لإحداث احمرار مماثل للبشرة غير المطلية بمنتجات واقية من الشمس.

بفضل قدرته على امتصاص وتشتيت الأشعة فوق البنفسجية، يُعتبر ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي أفضل واقي شمسي فيزيائي في الداخل والخارج. وبشكل عام، تفوق قدرته على حماية الأشعة فوق البنفسجية ب بثلاثة إلى أربعة أضعاف قدرة أكسيد الزنك النانوي.

2.2

نطاق حجم الجسيمات المناسب

تُحدَّد قدرة نانو تيتانيوم ثاني أكسيد الكربون على حجب الأشعة فوق البنفسجية من خلال قدرته على الامتصاص والتشتت. كلما صغر حجم الجسيمات الأصلية لنانو تيتانيوم ثاني أكسيد الكربون، زادت قدرة امتصاصه للأشعة فوق البنفسجية. ووفقًا لقانون رايلي لتشتت الضوء، يوجد حجم جسيم أصلي مثالي لتحقيق أقصى قدرة تشتت لنانو تيتانيوم ثاني أكسيد الكربون للأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية المختلفة. كما تُظهر التجارب أنه كلما زاد طول موجة الأشعة فوق البنفسجية، زادت اعتماد قدرة نانو تيتانيوم ثاني أكسيد الكربون على تشتته؛ وكلما قصر طول الموجة، زادت اعتماد قدرته على الامتصاص.

2.3

قابلية تشتت وشفافية ممتازة

حجم جسيمات نانو-تيوثاني أكسيد التيتانيوم الأصلي أقل من 100 نانومتر، أي أقل بكثير من طول موجة الضوء المرئي. نظريًا، يمكن لنانو-تيوثاني أكسيد التيتانيوم نقل الضوء المرئي عند تشتته بالكامل، لذا فهو شفاف. نظرًا لشفافيته، فإنه لا يغطي البشرة عند إضافته إلى مستحضرات التجميل الواقية من الشمس. لذلك، يمكن أن يُظهر جمال البشرة الطبيعي. الشفافية هي أحد المؤشرات المهمة لنانو-تيوثاني أكسيد التيتانيوم في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس. في الواقع، يكون نانو-تيوثاني أكسيد التيتانيوم شفافًا، ولكنه ليس شفافًا تمامًا في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس، لأن نانو-تيوثاني أكسيد التيتانيوم يحتوي على جزيئات صغيرة، ومساحة سطح نوعية كبيرة، وطاقة سطحية عالية للغاية، ومن السهل تكوين تكتلات، مما يؤثر على قابلية تشتت المنتجات وشفافيتها.

2.4

مقاومة جيدة للطقس

يتطلب ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي (Nano-TiO2) المستخدم في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس مقاومةً معينةً للعوامل الجوية (خاصةً مقاومة الضوء). ولأنه يتميز بجسيمات صغيرة ونشاط عالٍ، فإنه يُكوّن أزواجًا من الإلكترونات والفجوات بعد امتصاصه للأشعة فوق البنفسجية، وتنتقل بعض هذه الأزواج إلى السطح، مما يؤدي إلى امتزاز جزيئات الأكسجين الذري وجذور الهيدروكسيل الموجودة في الماء على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي، الذي يتميز بقدرة أكسدة عالية. يُسبب هذا تغيرًا في لون المنتجات ورائحتها الكريهة نتيجةً لتحلل التوابل. لذلك، يجب طلاء سطح ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي بطبقة أو أكثر من طبقات العزل الشفافة، مثل السيليكا والألومينا والزركونيا، لتثبيط نشاطه الكيميائي الضوئي.

3. أنواع واتجاهات تطوير نانو ثاني أكسيد التيتانيوم

3.1

مسحوق نانو-TiO2

تُباع منتجات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي على شكل مسحوق صلب، ويُصنف إلى مسحوق محب للماء ومسحوق محب للدهون، وذلك وفقًا لخصائص سطحه. يُستخدم المسحوق المحب للماء في مستحضرات التجميل القائمة على الماء، بينما يُستخدم المسحوق المحب للدهون في مستحضرات التجميل القائمة على الزيت. تُحصل المساحيق المحبة للماء عادةً عن طريق المعالجة السطحية غير العضوية. خضعت معظم مساحيق ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي الأجنبية هذه لمعالجة سطحية خاصة وفقًا لمجالات تطبيقها.

3.2

لون البشرة نانو TiO2

لأن جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية دقيقة وسهلة التشتت في الضوء الأزرق ذي الطول الموجي الأقصر في الضوء المرئي، فإن إضافتها إلى مستحضرات الوقاية من الشمس قد يُظهر لونًا أزرقًا غير صحي. ولمطابقة لون البشرة، غالبًا ما تُضاف أصباغ حمراء، مثل أكسيد الحديد، إلى تركيبات مستحضرات التجميل في المراحل المبكرة. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف كثافة ورطوبة ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي وأكسيد الحديد، غالبًا ما تظهر ألوان عائمة.

4. حالة إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي في الصين

تشهد الصين نشاطًا ملحوظًا في أبحاث نانو-TiO2-2 على نطاق صغير، وقد وصل مستوى البحث النظري إلى مستوى متقدم عالميًا، إلا أن الأبحاث التطبيقية والهندسية لا تزال متأخرة نسبيًا، ولا يمكن تحويل العديد من نتائج البحث إلى منتجات صناعية. بدأ الإنتاج الصناعي لنانو-TiO2 في الصين عام ١٩٩٧، أي بعد أكثر من عشر سنوات من اليابان.

هناك سببان يحدان من جودة وتنافسية منتجات نانو TiO2 في السوق الصينية:

① تأخر البحث في مجال التكنولوجيا التطبيقية

يتطلب بحث تكنولوجيا التطبيق حل مشكلة إضافة عملية وتقييم تأثير نانو-TiO2 في الأنظمة المركبة. لم يتطور بحث تطبيقات نانو-TiO2 في العديد من المجالات بشكل كامل، ولا يزال البحث في بعض المجالات، مثل مستحضرات التجميل الواقية من الشمس، بحاجة إلى التعمق. نظرًا لتأخر أبحاث التكنولوجيا التطبيقية، لا تستطيع منتجات نانو-TiO2-2 الصينية إنتاج علامات تجارية متسلسلة تلبي المتطلبات الخاصة لمختلف المجالات.

② تحتاج تقنية معالجة سطح ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي إلى مزيد من الدراسة

تشمل معالجة الأسطح المعالجة السطحية غير العضوية والعضوية. تتكون تقنية معالجة الأسطح من تركيبة عامل معالجة الأسطح، وتقنية معالجة الأسطح، ومعدات معالجة الأسطح.

5. ملاحظات ختامية

إن الشفافية وأداء الحماية من الأشعة فوق البنفسجية وقابلية التشتت ومقاومة الضوء لـ nano-TiO2 في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس هي مؤشرات تقنية مهمة للحكم على جودتها، كما أن عملية التركيب وطريقة المعالجة السطحية لـ nano-TiO2 هي المفتاح لتحديد هذه المؤشرات التقنية.