驕陽(yáng)似火的夏天就要到了，擔(dān)心曬黑的小伙伴們出門前又多了一道“防護(hù)儀式”——涂抹防曬霜。不過(guò)，防曬可不只是為了保持白皙膚色這么簡(jiǎn)單。陽(yáng)光中的紫外線就像看不見(jiàn)的“皮膚殺手”，長(zhǎng)期暴露其中不僅會(huì)加速皮膚老化，還可能增加患皮膚癌等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。正因如此，防曬產(chǎn)品早已不再是愛(ài)美人士的專屬品，而是逐漸成為每個(gè)人夏日戶外活動(dòng)的“皮膚防護(hù)盾”。就像出門要帶手機(jī)和鑰匙一樣，防曬正在成為現(xiàn)代人不可或缺的日常防護(hù)習(xí)慣。
各式各樣的防曬用品
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
據(jù)《消費(fèi)日?qǐng)?bào)》數(shù)據(jù)，2023年中國(guó)防曬化妝品市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)148億元，并以12.3%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2028年，這一數(shù)字將突破224億元。隨著防曬成為日常護(hù)膚的必備步驟，越來(lái)越多的人開(kāi)始好奇：
它們?cè)诒Ｗo(hù)我們的同時(shí)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響嗎？
防曬霜上演“能量變形記”：抵御紫外線進(jìn)攻
盡管市面上的防曬產(chǎn)品五花八門，但從作用原理來(lái)看，它們主要分為兩大“作戰(zhàn)部隊(duì)”：有機(jī)防曬劑和無(wú)機(jī)防曬劑。這兩類防曬劑就像皮膚的不同“防御系統(tǒng)”，各有一套獨(dú)特的抗紫外線戰(zhàn)術(shù)。
形形色色的有機(jī)防曬劑有著不同的化學(xué)本質(zhì)，可大致分為7類，包括二苯甲酮類、水楊酸酯類、肉桂酸酯類、樟腦衍生物類等。它們的有效成分幾乎都是含有共軛雙鍵的芳香體系，使得這些分子的能級(jí)差距適配紫外線的能量范圍。此外，許多起到防曬作用的化學(xué)分子都有連接在苯環(huán)上的羥基，羥基氫可以與相鄰的羰基構(gòu)成分子內(nèi)氫鍵，這賦予它們額外的紫外吸收能力。
常見(jiàn)有機(jī)防曬劑的有效成分（紫色表示共軛部分）
（圖片來(lái)源：作者）
具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)這些有機(jī)防曬分子吸收紫外線后，會(huì)經(jīng)歷一場(chǎng)精彩的“能量變形記”。分子內(nèi)部的氫鍵首先斷裂，整個(gè)分子就像被充了電一樣躍遷到高能狀態(tài)。正如古語(yǔ)所說(shuō)“高處不勝寒”，這種興奮狀態(tài)難以持久，分子會(huì)迅速通過(guò)釋放熱量的方式“冷靜”下來(lái)，重新恢復(fù)穩(wěn)定。這個(gè)過(guò)程就像一個(gè)個(gè)微型的“能量轉(zhuǎn)換站”，周而復(fù)始地將危險(xiǎn)的紫外光轉(zhuǎn)化為無(wú)害的熱能。
而無(wú)機(jī)防曬劑則展現(xiàn)了另一種防御策略。它們的主要“武器”是兩種常見(jiàn)的納米材料——二氧化鈦(TiO2)和氧化鋅(ZnO)納米顆粒。這兩類納米材料都屬于N型半導(dǎo)體，當(dāng)紫外線來(lái)襲時(shí)，它們價(jià)帶上的電子會(huì)吸收能量躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)留下帶正電的“空穴”，形成特殊的電子-空穴對(duì)，這種特性使它們成為吸收紫外線的“高手”。另外，這種小粒徑的納米粒子對(duì)紫外線的有效散射也對(duì)其防曬功能有不可忽視的貢獻(xiàn)。
金紅石型TiO2的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）
防曬霜值得擔(dān)憂的另一面：海洋污染源之一
當(dāng)你擰開(kāi)防曬霜的瓶蓋，將乳白色的膏體輕輕涂抹在皮膚上時(shí)，可曾思考過(guò)這些化學(xué)物質(zhì)的“最終歸宿”？事實(shí)上，每一次海浪中的嬉戲，都讓防曬成分隨著水花悄然溶入海洋；而每晚沐浴時(shí)，那些被水流沖走的防曬殘余，也正沿著城市地下縱橫交錯(cuò)的排水管網(wǎng)，最終匯入浩瀚的大海。這些看似微小的個(gè)人行為，正在通過(guò)聚沙成塔的累積效應(yīng)，悄然改變著海洋的生態(tài)平衡。
防曬劑進(jìn)入海洋環(huán)境的途徑
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）
大量實(shí)驗(yàn)研究為我們敲響了“警鐘”，常見(jiàn)的無(wú)機(jī)與有機(jī)防曬劑對(duì)海洋藻類、貝類、魚(yú)類、珊瑚等均具有明顯的毒性效應(yīng)，主要表現(xiàn)為內(nèi)分泌干擾、神經(jīng)毒性、致瘤性和發(fā)育毒性等。其中，雖然珊瑚白化現(xiàn)象備受關(guān)注，但研究事實(shí)揭示的危害遠(yuǎn)不止于此。同時(shí)，我們也應(yīng)該深刻認(rèn)識(shí)到，生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)不可分割的整體。因此，這些防曬產(chǎn)品也很有可能經(jīng)過(guò)食物鏈的富集，通過(guò)海鮮重新回到人類的餐桌上。
防曬霜的“綠色革命”：環(huán)境友好型防曬的科技突圍
對(duì)于人們不可回避的防曬需求，盡管傳統(tǒng)防曬劑存在環(huán)境危害，但也不能一禁了之。要破解這個(gè)“防曬-環(huán)?！钡膬呻y困局，科技創(chuàng)新是關(guān)鍵突破口。下一代防曬品的開(kāi)發(fā)思路主要分為兩種，一是從天然產(chǎn)物中提取抗紫外線成分，二是人工合成環(huán)境友好型防曬劑
近年來(lái)，研究人員對(duì)抗紫外活性天然產(chǎn)物的篩選取得了顯著的進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，植物中的“防曬高手”——黃酮類化合物，不僅能吸收UVA（導(dǎo)致皮膚老化的長(zhǎng)波紫外線）和UVB（引發(fā)曬傷的中波紫外線），其抗氧化、抗炎特性還能增強(qiáng)光保護(hù)效果。除黃酮類外，某些植物油、類胡蘿卜素、芪類化合物（stilbenes）和阿魏酸（ferulic acid）等天然產(chǎn)物也具備紫外線吸收能力。這些天然成分的防曬原理和人工合成的有機(jī)防曬劑有著異曲同工之妙——都是依靠特殊的大共軛面芳香體系來(lái)吸收陽(yáng)光中的紫外線
一種具有抗紫外活性的黃酮類化合物——槲皮素
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
除了從植物中提取天然防曬成分，科學(xué)家們也在實(shí)驗(yàn)室“定制”新一代防曬分子——既要保持紫外線吸收的能力，又要規(guī)避傳統(tǒng)防曬劑對(duì)健康和生態(tài)的雙重威脅。傳統(tǒng)小分子防曬劑因其低分子量的特性，不僅對(duì)環(huán)境有潛在危害，還可能經(jīng)透皮吸收對(duì)使用者構(gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究人員開(kāi)始聚焦于開(kāi)發(fā)高分子聚合物防曬劑。
2023年，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)用Biginelli反應(yīng)（一種高效的化學(xué)“分子縫合術(shù)”）設(shè)計(jì)出新型防曬單體，再將其與水溶性單體“手拉手”聚合，最終獲得水溶性高分子防曬劑。實(shí)驗(yàn)證明，這種聚合物防曬劑的紫外線吸收能力不輸傳統(tǒng)成分氧苯酮。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，它預(yù)防曬傷的效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)防曬劑和市售產(chǎn)品。更讓人驚喜的是，這種“大塊頭”分子既不會(huì)穿透皮膚，也不會(huì)傷害珊瑚和藻類。這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)“人體友好+海洋安全”的防曬劑提供了全新思路。
清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的珊瑚友好型高分子防曬劑
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5]）
對(duì)于無(wú)機(jī)防曬劑，研究人員也來(lái)了個(gè)“綠色升級(jí)”！一項(xiàng)很有趣的研究發(fā)現(xiàn)，用番茄汁代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)溶劑，就能“煮”出多功能氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）。神奇的是，番茄汁在這里竟然“一物分飾三角”——同時(shí)扮演溶劑、還原劑和穩(wěn)定劑三種角色。
利用番茄果汁代替?zhèn)鹘y(tǒng)溶劑綠色合成氧化鋅納米顆粒
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[6]）
無(wú)獨(dú)有偶，另一群科學(xué)家對(duì)無(wú)機(jī)防曬劑玩起了“原料革命”！他們選定兩種綠色溶劑——二甲基異山梨醇（dimethylisosorbide）和異丙叉甘油（isopropylidene glycerol），像調(diào)制魔法藥水一樣，制作出了能批量生產(chǎn)的膠體木質(zhì)素納米顆粒。這種特制“原料”可不簡(jiǎn)單，防曬效果顯著，最關(guān)鍵的是完全不含納米金屬，是純天然生物基材料。
利用膠體木質(zhì)素納米顆粒為原料的防曬霜
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[8]）
看似不起眼的防曬霜，在為我們撐起紫外線防護(hù)傘的同時(shí)，竟悄悄牽動(dòng)著整個(gè)海洋生態(tài)的命運(yùn)?？茖W(xué)家們正用智慧破解這個(gè)“護(hù)膚還是護(hù)?！钡膬呻y命題——那些正在實(shí)驗(yàn)室孕育的環(huán)境友好型防曬新品，或?qū)?shí)現(xiàn)“一抹防曬霜，守護(hù)人與海”的美好愿景。當(dāng)科技與自然和諧共存，我們終能在呵護(hù)肌膚的同時(shí)，也為這顆藍(lán)色星球的生生不息貢獻(xiàn)一份溫柔力量。
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出品：科普中國(guó)
作者：劉煜超（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
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