Kem chống nắng hoạt động như thế nào?

Kem chống nắng có thật sự có tác dụng bảo vệ da khỏi tia UV, chống lão hóa, nám, tàn nhang? Cơ chế hoạt động của kem chống nắng là gì? Có cần thiết thoa kem chống nắng mỗi ngày không?

Kem chống nắng bảo vệ da khỏi tia UV

Như các bạn có thể đã biết, kem chống nắng có chứa các thành phần hoạt tính ngăn chặn tia UV xâm nhập vào da của bạn. Hãy nhớ rằng tia UV là một loại ánh sáng, có bước sóng ngắn hơn và nhiều năng lượng hơn ánh sáng nhìn thấy. Có hai loại chính mà chúng ta nhận được từ mặt trời là UVA (năng lượng thấp hơn, bước sóng dài hơn) và UVB (năng lượng cao hơn, bước sóng ngắn hơn).

Có hai loại kem chống nắng chính là hữu cơ và vô cơ, thường được gọi là hóa học và vật lý.

- Kem chống nắng hữu cơ (“hóa học”): có rất nhiều nguyên tử cacbon kết hợp với nhau.

- Kem chống nắng vô cơ (“vật lý”)gồm oxit kẽm và titanium dioxide. Đôi khi chúng được gọi là kem chống nắng khoáng.

Thành phần của kem chống nắng vật lý và hóa học

Cơ chế hoạt động của kem chống nắng hóa học (hữu cơ)

Kem chống nắng hóa học hấp thụ năng lượng UV và chuyển nó thành các dạng năng lượng vô hại hơn, chủ yếu là nhiệt.

Định luật bảo toàn năng lượng nói rằng bạn không thể tạo ra hoặc phá hủy năng lượng: nó chỉ có thể được chuyển đổi thành các dạng khác. Vì vậy, đó là những gì các phân tử kem chống nắng này làm - chúng giống như những nhà máy nhỏ tiếp nhận năng lượng tia cực tím và biến nó thành một thứ không gây ung thư hoặc lão hóa da.

Bạn có thể tưởng tượng rằng phân tử kem chống nắng đang ngồi trên da của bạn. Nó có năng lượng thấp và rất ổn định. Khi gặp tia UV - các phân tử kem chống nắng có thể hấp thụ năng lượng.

Sau khi hấp thu năng lượng và phát ra nhiệt, các phân tử kem chống nắng trở lại trạng thái như cũ và lặp lại quá trình - hấp thụ tia UV, phát ra năng lượng khác - lặp đi lặp lại.

Quá trình này tương tự với việc tại sao quần áo đen bị nóng dưới ánh nắng mặt trời: các electron trong phân tử thuốc nhuộm đen hấp thụ ánh sáng nhìn thấy từ mặt trời, bị kích thích, sau đó giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

Nhiệt lượng của kem chống nắng hóa học tạo ra là bao nhiêu?

Với tất cả những gì nói về nhiệt, bạn có thể tự hỏi: liệu da của bạn có nóng lên không?

Câu trả lời là một chút nhỏ - nhưng lượng nhiệt là rất nhỏ so với phần còn lại của nhiệt mà bạn nhận được từ những thứ khác. Nếu bạn đang bôi kem chống nắng và bạn có thể cảm thấy da mình nóng lên khi ở dưới ánh nắng mặt trời, có thể đó là tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy mà bạn cảm thấy chuyển thành nhiệt, không phải tia UV. Ánh sáng mặt trời chỉ có khoảng 3-7% tia cực tím, và khoảng 44% ánh sáng nhìn thấy và 53% tia hồng ngoại.

Da của bạn cũng có thể bị kích ứng bởi kem chống nắng, khiến da trở nên nóng hơn. Nhưng gần như chắc chắn đó không phải là tia UV mà kem chống nắng chuyển hóa thành nhiệt. Nếu bạn chuyển đổi tất cả tia UV chiếu vào da thành nhiệt, da cũng chỉ tăng thêm một độ.

Kem chống nắng hấp thụ bước sóng nào trong tia UV?

Nhưng tại sao một số phân tử kem chống nắng có khoảng trống năng lượng có thể hấp thụ UVA, một số có thể hấp thụ UVB và một số có thể hấp thụ cả hai?

Hãy xem cấu trúc của chúng:

Caption

Sự liên hợp, sự phân chia và bước sóng

Điều đầu tiên bạn thấy là cấu trúc của kem chống nắng hóa học có rất nhiều vòng - chủ yếu là hình lục giác và ngũ giác. Chúng cũng có kiểu liên kết đôi xen kẽ hoặc liên kết đơn, liên kết đôi. Đây gọi là liên hợp.

Mô hình liên hợp càng lớn, các electron có thể chạy xung quanh và phân định càng nhiều, và lượng năng lượng mà nó có thể hấp thụ càng nhỏ và nó sẽ hấp thụ tia UVA bởi bộ lọc tia UVA có xu hướng lớn hơn bộ lọc tia UVB. Điều ngược lại giải thích tại sao có những kem chống nắng hấp thụ UVB tốt hơn.

Cơ chế hoạt động của kem chống nắng vật lý (vô cơ)

Kem chống nắng vô cơ có thành phần là oxit kẽm và titanium dioxide.

Quay trở lại ngày mà ngành công nghiệp mỹ phẩm nghĩ rằng kem chống nắng vật lý hoạt động chỉ bằng cách phân tán tia cực tím. Nó thậm chí đã được viết trong chuyên khảo của FDA năm 1978, nhưng sau đó nó đã được đính chính trong phiên bản năm 1999 - đây là lý do tại sao ý kiến này lại phổ biến rộng rãi.

Kem chống nắng vật lý cũng hấp thụ 95% tia cực tím như kem chống nắng hóa học

Cách thức hoạt động chủ yếu của oxit kẽm và titanium dioxide rất giống kem chống nắng hữu cơ. Chúng có các electron có thể hấp thụ tia cực tím và chuyển sang trạng thái kích thích cao hơn. Các electron sau đó có thể thư giãn trong khi giải phóng năng lượng dưới dạng các dạng vô hại hơn - nhiệt, IR, ánh sáng nhìn thấy, UV.

Nhưng những thành phần này là vô cơ, vì vậy chúng không có nguyên tử cacbon và không có cùng khả năng chứa các hệ liên hợp. Thay vào đó, chúng có cái gọi là cấu trúc vùng cấm.

Nếu bạn nhìn vào cấu trúc của oxit kẽm, có rất nhiều nguyên tử, có rất nhiều electron và tất cả chúng tương tác với nhau. Điều này có nghĩa là có rất nhiều mức năng lượng hơi khác nhau được đóng gói rất chặt chẽ với nhau.

Khoảng cách nhỏ nhất giữa chúng, từ đỉnh của dải dưới đến đáy của dải trên, là năng lượng tối thiểu hoặc bước sóng dài nhất có thể được hấp thụ. Chúng có thể hấp thụ khá nhiều mọi bước sóng UV với nhiều năng lượng hơn mức này, bởi vì có rất nhiều mức năng lượng.

Kem chống nắng vật lý tán xạ 5% tia cực tím còn lại

95% các tia cực tím bị kem chống nắng vật lý hấp thụ và tạo ra nhiệt như kem chống nắng hóa học, phần còn lại sẽ bị tán xạ.

Tán xạ là tia UV chiếu vào da và bị làm cho thay đổi hướng, giảm khả năng tiếp xúc với da.

Kem chống nắng vô cơ hơi phức tạp, vì bạn có thể nhận được các kích thước hạt khác nhau. Trong kem chống nắng, các hạt thường rất nhỏ - đường kính dưới 200 nm.

Sự tán xạ ánh sáng tỷ lệ với đường kính. Các hạt lớn hơn phân tán nhiều hơn và hấp thụ ít hơn, và nó không chỉ là tia UV bị phân tán - nó còn là ánh sáng nhìn thấy được. Vì vậy, hạt càng lớn, bạn nhận được càng nhiều tán xạ, và bạn nhìn thấy càng nhiều hạt màu trắng.

Các bước sóng dài hơn cũng bị phân tán nhiều hơn và các bước sóng ngắn bị hấp thụ nhiều hơn, vì vậy mặc dù các thành phần này hầu hết là hấp thụ tia UV, chúng vẫn có thể để lại cho bạn lớp màng trắng trên da mặt. Kẽm oxit hấp thụ cả UVB và UVA, trong khi titanium dioxide chủ yếu hấp thụ UVB và chủ yếu phân tán tia UVA. Điều này còn phụ thuộc vào kích thước hạt được sử dụng trong kem chống nắng.

Tài liệu liên quan:

Chem Guide has fantastic explanations of chemistry concepts – here’s their explanation of UV absorbance and UV curves. Most first year university chemistry textbooks have information on UV spectroscopy.

Lowe NJ, Shaath NA & Pathuk MA (eds), Sunscreens: Development: Evaluation, and Regulatory Aspects, Marcel Dekker, 1997.

Wang SQ, Lim HW (eds), Principles and Practice of Photoprotection, Cham: Springer, 2016.

Cole C et al., Metal oxide sunscreens protect skin by absorption, not by reflection or scattering, Photodermatol Photoimmunol Photomed. 2016, 32, 5-10. DOI: 10.1111/phpp.12214