Солнцезащитные кремы и светостабилизаторы можно создавать с применением нано-, а не микрочастиц оксидов металлов. Уменьшение размеров частиц, как установили ученые НИТУ МИСиС, улучшает солнцезащитные свойства материала.
Ультрафиолетовое излучение в зависимости от длины волны может вызывать повреждения кожи, в том числе приводить к перерождению клеток в раковые, это ведущий фактор риска меланомы. Наиболее опасным считается излучение в диапазоне 305-320 нм (ультрафиолет типа B). Разрушающе действует УФ-излучение и на полимеры.
Лабораторный модуль для проведения химического синтеза различных типов дисперсных наноматериалов
Для защиты от УФ-излучения и в солнцезащитных кремах, и в УФ-стабилизаторах для полимеров используются различные дисперсные наполнители — диоксид титана и оксид цинка: УФ-излучение возбуждает электроны их атомной структуры и поглощается. Порошок оксида цинка с размером частиц 0,5-20 мкм входит в состав большинства кремов и стабилизаторов, но такие УФ-фильтры окрашивают крем или полимерное изделие в белый цвет, что нежелательно, если необходимо исходный цвет или прозрачность изделия нужно сохранить.
Замена микрочастиц на наночастицы позволяет сохранить солнцезащитные свойства и существенно уменьшить содержание светостабилизаторов. Остается спорным вопрос безопасности наночастиц в кремах — из-за их способности проникать в организм. Большинство исследователей считает, что наночастицы не проникают в здоровую неповрежденную кожу.
Замена микрочастиц на наночастицы позволяет сохранить солнцезащитные свойства и существенно уменьшить содержание светостабилизаторов
Оптические свойства дисперсных систем зависят от того, как частицы поглощают и рассеивают свет. Изменение размера или химического состава частиц может менять ширину запрещенной зоны, а значит, и спектральных характеристик. Размер частиц будет также влиять на величину поглощения и пропускания волн различной длины. Следовательно, для получения стабильных оптических свойств светостабилизатора необходимы тонкий контроль за морфологией и распределением частиц по размерам и предотвращение их агрегации.
Снижение фотоокисления полипропиленовой пленки при воздействии УФ-излучения за счет введения модифицированных наночастиц оксида цинка
Одна из основных проблем разработки таких дисперсных материалов — управление их оптическими свойствами, в том числе в процессе их синтеза. Обычно при создании нанодисперных светостабилизаторов на основе наночастиц оксидов металлов применяют физические методы — испарение-конденсацию, плазменный или импульсно-дуговой синтез. Более перспективным выглядят химический метод — синтез наночастиц в растворах, он позволяет модифицировать поверхность наночастиц, варьируя параметры химических реакций в процессе синтеза.
На кафедре функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСиС синтезированы наноразмерные частицы оксида цинка с модифицированной силансодержащими соединениями поверхностью, которые можно использовать и как УФ-фильтры в солнцезащитных кремах, и как светостабилизаторов в полимерных изделиях. Размер наночастиц может варьироваться от 25 до 90 нм.
Микрофотография единичной наночастицы оксида цинка
Дисперсии на основе синтезированных наночастиц оксида цинка с модифицированной поверхностью демонстрировали полное поглощение ультрафиолета типа В — и одновременно увеличивали пропускание света в видимом диапазоне (400-750 нм) на 30-85%, на 15% лучше, чем позволяют немодифицированные УФ-фильтры. Ученые из НИТУ МИСиС вместе с коллегами из Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина в опытах in vitro показали, что синтезированные наночастицы не гемотоксичны — это важно для оценки влияния наночастиц на организм человека при их проникновении через кожу.
Внешний вид дисперсий оксида цинка в воде, содержащих немодифицированые (слева) и модифицированые (справа) нанопорошки
Полученные наночастицы были также добавлены в полипропиленовые пленки. Оказалось, что наночастицы ZnO играют важную роль в стабилизации молекул полипропилена и задерживают процесс фотодеградации, служа экранирующими агентами. Доминирующий механизм экранирования — поглощение УФ-излучения наночастицами оксида цинка. Анализ оптических свойств пленок из полипропилена с добавленными частицами оксида цинка показал, что такие пленки поглощают до 100% УФ-излучения и одновременно пропускают видимую часть света, что позволяет сохранять прозрачность пленок.
Такие материалы могут использоваться при изготовлении прозрачных пищевых контейнеров, пленок или в облицовочных панелях конструкций, устанавливаемых под открытым небом. Модифицирование поверхности наночастиц позволит снизить количество добавляемого УФ-фильтра в пять-десять раз, что влечет за собой положительный экономический эффект.