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

 

 

 

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Cuando se habla de los filtrossolares usados en cosmética se suele hacer la distinción entre filtros físicosy químicos, o filtros minerales y orgánicos, que es lo mismo. A menudo seexplica su funcionamiento como si los filtros físicos fuesen una suerte deespejos que reflejan la radiación y como si los filtros químicos sufriesenreacciones químicas en las que absorben radiación ultravioleta. Aunque estaexplicación resulta útil, también es inexacta. Los mecanismos por los cualesestas sustancias actúan como filtros solares tienen su explicación en lamecánica cuántica. Es una rama de la ciencia compleja, pero en este artículoencontrarás 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 sonsustancias que absorben radiación ultravioleta. Los dos tipos son seguros y eficaces.Por eso desde el punto de vista del consumidor debería ser indiferente si uncosmético contiene filtros de un tipo o de ambos. Lo realmente importante parala salud es usar el producto como es debido, siguiendo las instrucciones delfabricante, y escoger un índice de protección solar (SPF) adecuado a nuestrapiel y con una cosmeticidad que se adapte a nosotros.

Sin embargo, desde el punto devista 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 formadaspor átomos: el aire, la piel, el agua, una manzana o tu crema solar. Todo. Hay diferentesmodelos que nos sirven para hacernos una idea de cómo son los átomos. Podemosimaginarlos como un núcleo con carga positiva rodeado de una nebulosa con carganegativa. La carga negativa viene dada por unas partículas denominadas electrones.Los electrones son los responsables de muchas de las propiedades de losátomos, desde cómo enlazan unos con otros para formar diferentes sustancias, siconducen la electricidad, el calor, o si absorben radiación. Podemos describirun gran número de fenómenos si entendemos qué es lo que hacen los electrones encada caso.

 

 

2020 06 23 mecanica cuantica ciencia materiales funcionan filtros solares hoy en dia 2 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 unosunidos a otros dando lugar a moléculas, las nebulosas de electrones se fusionan.Al hacerlo, los electrones se organizan en diferentes configuraciones y puedencambiar de unas a otras cuando enlazan o cuando les llega alguna radiación. Podríamosdecir que las nebulosas de electrones «se mueven» yeso da lugar a multitud de fenómenos, entre ellos su capacidad de absorberradiación ultravioleta que la invierten en «moverse».

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

Cómo funcionan los filtros físicos

Los filtros físicos habitualesson el dióxido detitanio y el óxidode zinc. Ambos son materiales semiconductores, eso quiere decirque para mover la nebulosa de electrones necesitan de un empujón. Ese empujónes 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 lanebulosa 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 delcoche que circula por una carretera. El coche representa la nebulosa deelectrones.

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

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

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

El óxido de titanio y el óxidode zinc son semiconductores, así que estamos en el segundo escenariode la ilustración anterior. La banda de valencia y la banda deconducción están separadas, pero ese desnivel es salvable. Con un acelerónextra el coche puede seguir circulando por la carretera. Eso que en uncoche equivaldría a pisar el acelerador, en química equivale a absorberradiación de un rango de energía concreto, el justo para poder ascender porla carretera.

 

Tanto para el dióxido de titaniocomo para el óxido de zinc, la energía comprendida entre los 280 nm y los400 nm permite a los electrones dar el salto entre la banda de valenciay la banda de conducción. Ese rango de energías equivale a las de laradiación UVA (315 – 400 nm) y UVB (280 – 315 nm).  En un cosmético esto se traduce en que losfiltros físicos absorben la radiación ultravioleta evitando que llegue anuestra piel.

A este fenómeno hay que sumarleotro llamado fluorescencia.

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Tanto el dióxido de titanio comoel óxido de zinc absorben radiación UV (para subir la cuesta), la disipan y acontinuación la reemiten con una energía menor que cae dentro del espectrovisible (bajada de la cuesta). Igual que un coche gana velocidad en losdescensos, en mecánica cuántica esto se traduce en que los electrones emiten energíacuando bajan de nivel. Por eso suele hacerse la simplificación de que losfiltros físicos absorben radiación ultravioleta y la transforman en radiacióninocua para la piel como la radiación visible. A este fenómeno se le llamafluorescencia. Es el responsable de que estos pigmentos sean de un intenso colorblanco.

El tamaño de partícula afectaal color, la cosmeticidad de la fórmula y la eficacia. Los filtros mineralescomunes tienen un tamaño de partícula alrededor de los 0,2 µm.En la actualidad se usan tamaños de partícula menores que ya entran dentro dela nanoescala (mil veces menores que la microescala). Las nanopartículastienen un diámetro comprendido entre los 100 y los 30 nm (30 nm es el mínimotamaño que permiten las autoridades sanitarias para evitar que la sustanciapenetre a través de la piel). En la lista de ingredientes son fáciles dereconocer, ya que contienen la palabra nano: titanium dioxide (nano), zincoxide (nano).

El proceso de dispersión delas nanopartículas es más sencillo, facilitando la formulación. Elproducto final resulta más homogéneo. Desaparece el antiestéticorastro blanco en la piel característico de los cosméticos antiguos o debaja calidad. También aumenta la eficacia, porque en la misma cantidadde filtro físico hay un mayor número de partículas, por tanto, mayor áreasuperficial. La cobertura y la protección mejoran.  

Cómo funcionan los filtros químicos

Hay una gran variedad de filtrosquímicos, todos ellos son compuestos orgánicos, es decir, basados en la químicadel carbono. Los más utilizados en los laboratorios dermatológicos LaRoche Posay son el  ethylhexyl salicylate,ethylhexyl triazone,bis-ethylhexyloxyphenolmethoxyphenyl triazine (comercialmente conocido como Tinosorb S), butyl methoxydibenzoylmethane(conocido como avobenzona), terephthalylidene dicamphorsulfonic acid (conocido como Mexoryl SX) y drometrizoletrisiloxane (conocido como Mexoryl XL) que son patentesdesarrolladas por L’Óreal.

 

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Para describir cómo estoscompuestos absorben radiación ultravioleta utilizamos la Teoría deOrbitales Moleculares (TOM) de la mecánica cuántica. Lo que dice estateoría es que los electrones de los átomos que forman una molécula no estánlocalizados en cada átomo, sino que forman una suerte de nebulosa de electronesque rodea a todos los átomos.   

2020 06 23 mecanica cuantica ciencia materiales funcionan filtros solares hoy en dia 6 Tres formas de representar un anillo de benceno (C6H6)

Los anillos que contienen lamayoría de filtros químicos están formados por átomos de carbono e hidrógenoenlazados entre sí a través de enlaces simples y dobles alternos (este tipo deenlaces alternos se llama sistema pi-conjugado). Blog sopper tappers

Los cromóforos soncompuestos orgánicos que contienen dobles enlaces alternos. Se llamancromóforos 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 formandouna nebulosa de electrones (en color azul en la ilustración anterior). Estanebulosa 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.

 

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

Si nos fijamos en lasestructuras químicas de los filtros orgánicos observamos que los enlaces doblesson muy abundantes, sobre todo en forma de anillos. Esa estructura química esla que les confiere la cualidad de cromóforos. Cada uno de ellos absorberadiación ultravioleta de una energía concreta. Por eso lo ideal es contarcon varios filtros químicos que abarquen el ultravioleta al completo, delos 400 nm a los 280 nm.

Los filtros químicos tienenvarias ventajas cosméticas. La principal es que son compuestos solubles,así que se pueden conseguir fórmulas ultraligeras. La segunda ventaja esque 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 estándispersos en la fórmula, mientras que los filtros químicos están disueltos en lasdiferentes fases de la emulsión. El problema de las emulsiones es que estánformadas 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 texturadel cosmético, sino a cómo se distribuyen los filtros. Por eso, cuanto másfina sea la emulsión, mejor distribución de los filtros y, por tanto, mejorprotección frente a la radiación solar.

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

 

La tecnología intelimeres fruto de la investigación en ciencia de materiales. Los polímeros acrílicossupusieron todo un avance en la creación de filmógenos, que son películasultrafinas en las que aglutinar otras sustancias.

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

Llevamos usando polímerosacrílicos desde hace más de un siglo. Fueron una gran revolución para el mundodel arte. Las pinturas acrílicas contienen agua, acrílico y pigmentos. Cuandoel agua se evapora por el proceso de secado de la pintura, el polímero acrílicoempieza a formar una película elástica que se adhiere al lienzo o a la paredcomo una segunda piel, manteniendo el pigmento distribuido homogéneamente enlas oquedades de la red acrílica.

El intelimer es unatecnología fundamentada en estas características químicas de los polímerosacrílicos. El intelimer que utilizamos en la gama de solares Antheliosde los laboratorios La Roche Posay consiste en la interacción de varios copolímerosacrílicos. Hay una malla principal formada por un filmógeno acrílico que tienegran adherencia por la queratina de la piel, unido a otros polímeros acrílicosque conforman un filmógeno con huecos nanométricos que albergan los filtros yel resto de ingredientes.  Por esolos cosméticos Antheliostienen textura ultrafina y una distribución homogénea de los filtros solares.

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La tecnología intelimer escomo una malla elástica que distribuye los filtros de forma homogénea ypermanece perfectamente adherida a la piel. De esta manera, en lugar de unaemulsión clásica con microgotas diferenciadas de cada fase, el polímeroacrílico intelimer genera una estructura tridimensional con huecos en losque 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 sobrela piel, la fase acuosa se volatiliza, dejando la fase grasa con los filtrossolares acomodados en el intelimer. Esto provoca que se afiancenenlaces dentro del polímero acrílico intelimer y se forme un filmelástico adherido a la piel.

Una distribución tan homogéneay fina de los filtros, además de la gran resistencia del film y sucapacidad de retener a los filtros, da como resultado un mayor índice deprotección solar, una mayor fijación de los ingredientes (que nomigrarán ni a los ojos ni atravesarán la epidermis), mayor resistencia alagua, al sudor y a la arena.

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Hemos comparado cosméticos con lamisma cantidad y tipo de filtros solares, unos con emulsión convencional yotros con intelimer, y el resultado es que el SPF medido de 40-50 seeleva a 106,5 con intelimer.

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

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

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*Declaración de conflicto deinterés:

Este artículo ha sido escrito contotal libertad.

Formo parte del equipo de transferenciacientífica del laboratorio dermatológico La Roche Posay perteneciente aL’Oréal. Esa es la razón por la que se citan productos y tecnologíasdesarrolladas por este laboratorio.

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