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De la mecánica cuántica a la ciencia de materiales: así es cómo de verdad funcionan los filtros solares de hoy en día

Cuando se habla de los filtros solares usados en cosmética se suele hacer la distinción entre filtros físicos y químicos, o filtros minerales y orgánicos, que es lo mismo. A menudo se explica su funcionamiento como si los filtros físicos fuesen una suerte de espejos que reflejan la radiación y como si los filtros químicos sufriesen reacciones químicas en las que absorben radiación ultravioleta. Aunque esta explicación resulta útil, también es inexacta. Los mecanismos por los cuales estas sustancias actúan como filtros solares tienen su explicación en la mecánica cuántica. Es una rama de la ciencia compleja, pero en este artículo encontrarás una explicación tan rigurosa como divulgativa.

Además de la calidad de los filtros, el gran reto de la protección solar es llegar a fórmulas que sean ultraligeras, que se adhieran a la piel, que no se peguen a la arena, que no migren a los ojos, que no atraviesen la epidermis, que resistan el agua y el sudor. Conseguir esto fue durante muchos años todo un desafío para la cosmética. La razón es que estos productos son emulsiones, es decir, mezclas de fases que en principio son inmiscibles, lo que solía dar como resultado productos poco homogéneos e inestables que comprometían la eficacia de la protección solar. La ciencia de materiales, especialmente la que estudia los polímeros acrílicos, ha dado un vuelco a la formulación de estos cosméticos. La tecnología intelimer ha logrado que los filtros se distribuyan uniformemente en emulsiones ultrafinas y se adhieran como una segunda piel.

Diferencias entre filtros físicos y químicos

Los filtros solares son sustancias que absorben radiación ultravioleta. Los dos tipos son seguros y eficaces. Por eso desde el punto de vista del consumidor debería ser indiferente si un cosmético contiene filtros de un tipo o de ambos. Lo realmente importante para la salud es usar el producto como es debido, siguiendo las instrucciones del fabricante, y escoger un índice de protección solar (SPF) adecuado a nuestra piel y con una cosmeticidad que se adapte a nosotros.

Sin embargo, desde el punto de vista químico sí hay diferencias notables entre unos y otros.

  • Composición. Los filtros físicos son compuestos inorgánicos, cuyo elemento principal es un metal. Son óxidos metálicos, por eso también se les puede llamar filtros minerales. Los filtros químicos son compuestos orgánicos, cuyo elemento principal es el carbono, por eso se les conoce como filtros orgánicos.
  • Solubilidad. Una gran parte de los productos cosméticos son emulsiones. Una emulsión es una mezcla de sustancias que en principio son inmiscibles entre sí, como el agua y el aceite. De hecho, muchos cosméticos son resultado de una emulsión estable de una fase acuosa y una fase grasa. Los filtros físicos son insolubles. Esto implica que no se disuelven en ninguna fase. Esto afecta especialmente a la homogeneidad del producto y a su estabilidad. En lugar de estar disueltos se dice que están dispersos en la fórmula. Por el contrario, los filtros químicos son solubles, algunos se disuelven en la fase acuosa (los polares) y la mayoría en la fase grasa (los apolares).
  • Mecanismo de absorción ultravioleta. Los dos tipos de filtros absorben radiación a través de mecanismos cuánticos. El proceso de cada uno es diferente. Los filtros físicos son materiales semiconductores, por eso el mecanismo de absorción se puede describir aplicando la Teoría de bandas y a través del fenómeno de fluorescencia. En cambio, los filtros químicos son cromóforos, por lo que su mecanismo de absorción se describe a través de la Teoría de Orbitales Moleculares. Ambas teorías están fundamentadas en la química cuántica. Aunque estos dos mecanismos tienen su complejidad, desde el punto de vista científico son fascinantes y es posible explicarlos de forma divulgativa.

Todas las cosas están formadas por átomos: el aire, la piel, el agua, una manzana o tu crema solar. Todo. Hay diferentes modelos que nos sirven para hacernos una idea de cómo son los átomos. Podemos imaginarlos como un núcleo con carga positiva rodeado de una nebulosa con carga negativa. La carga negativa viene dada por unas partículas denominadas electrones. Los electrones son los responsables de muchas de las propiedades de los átomos, desde cómo enlazan unos con otros para formar diferentes sustancias, si conducen la electricidad, el calor, o si absorben radiación. Podemos describir un gran número de fenómenos si entendemos qué es lo que hacen los electrones en cada caso.

Modelo de un átomo de helio de acuerdo con la mecánica cuántica. Consta de la nube de probabilidad de los dos electrones del helio que rodean a un núcleo positivo 100 mil veces menor. Fuente: Wikimedia Commons.

Cuando los átomos están unos unidos a otros dando lugar a moléculas, las nebulosas de electrones se fusionan. Al hacerlo, los electrones se organizan en diferentes configuraciones y pueden cambiar de unas a otras cuando enlazan o cuando les llega alguna radiación. Podríamos decir que las nebulosas de electrones «se mueven» y eso da lugar a multitud de fenómenos, entre ellos su capacidad de absorber radiación ultravioleta que la invierten en «moverse».

Para explicar qué es lo que ocurre con en un filtro físico y en un filtro químico podemos imaginarnos que las nebulosas de electrones son coches viajando por una carretera.

Cómo funcionan los filtros físicos

Los filtros físicos habituales son el dióxido de titanio y el óxido de zinc. Ambos son materiales semiconductores, eso quiere decir que para mover la nebulosa de electrones necesitan de un empujón. Ese empujón es la radiación ultravioleta.

Atendiendo a la conductividad, podemos clasificar los materiales en conductores (si no necesitan empujón), semiconductores (necesitan empujón) y aislantes (ningún empujón hará que la nebulosa de electrones se mueva). Esto en química se conoce como Teoría de bandas. Vamos a ver qué es la teoría de bandas a través de la analogía del coche que circula por una carretera. El coche representa la nebulosa de electrones.

El nivel del mar representa lo que en Teoría de bandas llamamos banda de valencia o estado de mínima energía. La carretera por la que viaja el coche la llamamos banda de conducción.

Si la carretera es llana, el coche circulará sin tener que dar ningún acelerón extra. Estaríamos ante un material conductor, en el que la banda de valencia y la banda de conducción están solapadas, al mismo nivel.

Si la carretera tiene un obstáculo insalvable estamos ante un material aislante.

El óxido de titanio y el óxido de zinc son semiconductores, así que estamos en el segundo escenario de la ilustración anterior. La banda de valencia y la banda de conducción están separadas, pero ese desnivel es salvable. Con un acelerón extra el coche puede seguir circulando por la carretera. Eso que en un coche equivaldría a pisar el acelerador, en química equivale a absorber radiación de un rango de energía concreto, el justo para poder ascender por la carretera.

Tanto para el dióxido de titanio como para el óxido de zinc, la energía comprendida entre los 280 nm y los 400 nm permite a los electrones dar el salto entre la banda de valencia y la banda de conducción. Ese rango de energías equivale a las de la radiación UVA (315 – 400 nm) y UVB (280 – 315 nm).  En un cosmético esto se traduce en que los filtros físicos absorben la radiación ultravioleta evitando que llegue a nuestra piel.

A este fenómeno hay que sumarle otro llamado fluorescencia.

Tanto el dióxido de titanio como el óxido de zinc absorben radiación UV (para subir la cuesta), la disipan y a continuación la reemiten con una energía menor que cae dentro del espectro visible (bajada de la cuesta). Igual que un coche gana velocidad en los descensos, en mecánica cuántica esto se traduce en que los electrones emiten energía cuando bajan de nivel. Por eso suele hacerse la simplificación de que los filtros físicos absorben radiación ultravioleta y la transforman en radiación inocua para la piel como la radiación visible. A este fenómeno se le llama fluorescencia. Es el responsable de que estos pigmentos sean de un intenso color blanco.

El tamaño de partícula afecta al color, la cosmeticidad de la fórmula y la eficacia. Los filtros minerales comunes tienen un tamaño de partícula alrededor de los 0,2 µm. En la actualidad se usan tamaños de partícula menores que ya entran dentro de la nanoescala (mil veces menores que la microescala). Las nanopartículas tienen un diámetro comprendido entre los 100 y los 30 nm (30 nm es el mínimo tamaño que permiten las autoridades sanitarias para evitar que la sustancia penetre a través de la piel). En la lista de ingredientes son fáciles de reconocer, ya que contienen la palabra nano: titanium dioxide (nano), zinc oxide (nano).

El proceso de dispersión de las nanopartículas es más sencillo, facilitando la formulación. El producto final resulta más homogéneo. Desaparece el antiestético rastro blanco en la piel característico de los cosméticos antiguos o de baja calidad. También aumenta la eficacia, porque en la misma cantidad de filtro físico hay un mayor número de partículas, por tanto, mayor área superficial. La cobertura y la protección mejoran.  

Cómo funcionan los filtros químicos

Hay una gran variedad de filtros químicos, todos ellos son compuestos orgánicos, es decir, basados en la química del carbono. Los más utilizados en los laboratorios dermatológicos La Roche Posay son el  ethylhexyl salicylate, ethylhexyl triazone, bis-ethylhexyloxyphenol methoxyphenyl triazine (comercialmente conocido como Tinosorb S), butyl methoxydibenzoylmethane (conocido como avobenzona), terephthalylidene dicamphor sulfonic acid (conocido como Mexoryl SX) y drometrizole trisiloxane (conocido como Mexoryl XL) que son patentes desarrolladas por L’Óreal.

Para describir cómo estos compuestos absorben radiación ultravioleta utilizamos la Teoría de Orbitales Moleculares (TOM) de la mecánica cuántica. Lo que dice esta teoría es que los electrones de los átomos que forman una molécula no están localizados en cada átomo, sino que forman una suerte de nebulosa de electrones que rodea a todos los átomos.   

Tres formas de representar un anillo de benceno (C6H6)

Los anillos que contienen la mayoría de filtros químicos están formados por átomos de carbono e hidrógeno enlazados entre sí a través de enlaces simples y dobles alternos (este tipo de enlaces alternos se llama sistema pi-conjugado).

Los cromóforos son compuestos orgánicos que contienen dobles enlaces alternos. Se llaman cromóforos porque absorben radiación, la usan para «mover» electrones de un lado a otro, de tal manera que oficialmente los enlaces dobles están por todas partes formando una nebulosa de electrones (en color azul en la ilustración anterior). Esta nebulosa se llama orbital molecular.

Siguiendo con la analogía del coche, en el caso de los cromóforos la situación sería como la de un coche que circula por una carretera de doble carril. En esa carretera, cada vez que hay un pequeño cambio de dirección, aparece un obstáculo en el carril derecho. Este doble carril con obstáculos representa el sistema pi-conjugado. Para sortearlo hay que hacer un adelantamiento. Para ello hay que pisar el acelerador, es decir, absorber energía. En lugar de consumir combustible en el adelantamiento, los cromóforos consumen radiación.

De tanto acelerar y frenar, el coche acaba calentándose. Es decir, hay una parte de la energía que se disipa como calor. Esto mismo es lo que sucede con los filtros químicos, por eso se suele decir de forma simplificada que son compuestos que absorben radiación ultravioleta, la usan para «mover electrones» y la transforman en radiación inocua para la piel como el calor.

Si nos fijamos en las estructuras químicas de los filtros orgánicos observamos que los enlaces dobles son muy abundantes, sobre todo en forma de anillos. Esa estructura química es la que les confiere la cualidad de cromóforos. Cada uno de ellos absorbe radiación ultravioleta de una energía concreta. Por eso lo ideal es contar con varios filtros químicos que abarquen el ultravioleta al completo, de los 400 nm a los 280 nm.

Los filtros químicos tienen varias ventajas cosméticas. La principal es que son compuestos solubles, así que se pueden conseguir fórmulas ultraligeras. La segunda ventaja es que no tienen color. No emiten radiación visible, sino calor, que es invisible, así que los cosméticos no dejarán rastro blanco.

Cómo funciona la tecnología intelimer

Los filtros físicos están dispersos en la fórmula, mientras que los filtros químicos están disueltos en las diferentes fases de la emulsión. El problema de las emulsiones es que están formadas por microgotas de fase grasa suspendidas en la fase acuosa (o viceversa). El tamaño de las microgotas de las emulsiones afecta no solo a la textura del cosmético, sino a cómo se distribuyen los filtros. Por eso, cuanto más fina sea la emulsión, mejor distribución de los filtros y, por tanto, mejor protección frente a la radiación solar.

En la imagen superior observamos las emulsiones de dos protectores solares por microscopia láser. La primera es una emulsión clásica y la segunda es una emulsión con tecnología intelimer. El tamaño de las microgotas se reduce hasta 100 veces. En la práctica esto supone que la distribución de los filtros solares sobre la piel será mucho más homogénea y fina, tal y como se observa en la foto anterior. Se ha medido que, para la misma cantidad de producto y misma cantidad de filtros, el índice de protección solar aumenta más de un 100% gracias a la tecnología intelimer.  

La tecnología intelimer es fruto de la investigación en ciencia de materiales. Los polímeros acrílicos supusieron todo un avance en la creación de filmógenos, que son películas ultrafinas en las que aglutinar otras sustancias.

Los polímeros acrílicos son materiales que se construyen con derivados del ácido acrílico. Están formados por pequeñas unidades acrílicas con ramificaciones que establecen enlaces entre sí hasta obtener estructuras tridimensionales en forma de cristales o mallas. Estas estructuras se pueden diseñar para que formen huecos en los que albergar sustancias tanto afines al agua (polares) como afines a las grasas (apolares). Hacia el exterior de la estructura también pueden generar enlaces con la superficie de otros materiales, por eso tienen gran adherencia.

Llevamos usando polímeros acrílicos desde hace más de un siglo. Fueron una gran revolución para el mundo del arte. Las pinturas acrílicas contienen agua, acrílico y pigmentos. Cuando el agua se evapora por el proceso de secado de la pintura, el polímero acrílico empieza a formar una película elástica que se adhiere al lienzo o a la pared como una segunda piel, manteniendo el pigmento distribuido homogéneamente en las oquedades de la red acrílica.

El intelimer es una tecnología fundamentada en estas características químicas de los polímeros acrílicos. El intelimer que utilizamos en la gama de solares Anthelios de los laboratorios La Roche Posay consiste en la interacción de varios copolímeros acrílicos. Hay una malla principal formada por un filmógeno acrílico que tiene gran adherencia por la queratina de la piel, unido a otros polímeros acrílicos que conforman un filmógeno con huecos nanométricos que albergan los filtros y el resto de ingredientes.  Por eso los cosméticos Anthelios tienen textura ultrafina y una distribución homogénea de los filtros solares.

La tecnología intelimer es como una malla elástica que distribuye los filtros de forma homogénea y permanece perfectamente adherida a la piel. De esta manera, en lugar de una emulsión clásica con microgotas diferenciadas de cada fase, el polímero acrílico intelimer genera una estructura tridimensional con huecos en los que se fijan gotas nanométricas, tanto de fase acuosa como de fase grasa. El polímero actúa como el andamiaje que sostiene una emulsión superfina.

Al aplicar el producto sobre la piel, la fase acuosa se volatiliza, dejando la fase grasa con los filtros solares acomodados en el intelimer. Esto provoca que se afiancen enlaces dentro del polímero acrílico intelimer y se forme un film elástico adherido a la piel.

Una distribución tan homogénea y fina de los filtros, además de la gran resistencia del film y su capacidad de retener a los filtros, da como resultado un mayor índice de protección solar, una mayor fijación de los ingredientes (que no migrarán ni a los ojos ni atravesarán la epidermis), mayor resistencia al agua, al sudor y a la arena.

Hemos comparado cosméticos con la misma cantidad y tipo de filtros solares, unos con emulsión convencional y otros con intelimer, y el resultado es que el SPF medido de 40-50 se eleva a 106,5 con intelimer.

Observando la piel bajo la luz de Wood (imagen azul) vemos que el intelimer da mayor cobertura y es más homogéneo que la emulsión tradicional. Da mejores resultados de resistencia al sudor, la arena y el agua. Puede verse en la imagen superior derecha, cómo tres horas después de la aplicación del producto en condiciones de elevada humedad y temperatura, el cosmético con intelimer se mantiene en su sitio, mientras el que tiene una emulsión tradicional se ha expandido.

Todas estas medidas dan como resultado productos de protección solar más eficaces y seguros, ya que los filtros solares se mantienen perfectamente distribuidos sobre la piel, retenidos en una red acrílica. De esta manera ningún ingrediente migra a los ojos ni atraviesa la epidermis, aumentando la tolerancia de las pieles más sensibles.

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*Declaración de conflicto de interés:

Este artículo ha sido escrito con total libertad.

Formo parte del equipo de transferencia científica del laboratorio dermatológico La Roche Posay perteneciente a L’Oréal. Esa es la razón por la que se citan productos y tecnologías desarrolladas por este laboratorio.