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  防晒霜是如何在原子的水平上发挥作用的？

北半球2023年的夏天将成为有记录以来最热的夏天。烈日当空，应对方法之一就是涂抹防晒霜。但您想过防晒霜究竟是如何发挥作用的吗？这一切都归结于太阳的光子如何与我们的皮肤相互作用。

光子是电磁力（自然界四种基本力之一）的信使粒子，负责产生一系列现象，包括我们用来检查骨折的X射线、用来加热食物的微波，以及可能最重要的——可见光。

在夏天，由于地球在其方向上的轻微倾斜，我们接收到了来自太阳的最大光子通量。大约在芝加哥的纬度上，盛夏正午的光子通量是隆冬时节的三倍。

太阳发出的光子遍布电磁波谱的各个部分，但大部分来自可见光、红外线和紫外线。紫外线辐射在维持植物和动物生命方面起着至关重要的作用，但它也一直被认为是皮肤癌的诱因。了解原因是了解防晒霜如何保护我们免受紫外线伤害的第一步。

紫外线辐射的频率高于可见光和红外线，这意味着在这三种辐射中，紫外线光子的能量最大。当紫外线光子照射到你的皮肤上时，它们的能量需要有个去处。在缺乏保护的情况下，这些能量会转移到皮肤中的脂肪和蛋白质上。多余的能量则会引发 DNA 变异，这是导致皮肤癌症的原因之一。

虽然我们的身体确实拥有一些天然的?；せ评吹钟贤庀叻?，但皮肤癌（以及痛苦的晒伤）的流行清楚地表明，有必要人为地增强这些机制。

防晒霜的活性成分主要分为两大类：有机分子和无机晶体。这两种成分的作用都是海绵一样吸收紫外线辐射，然后将其安全地消散在环境中。这是如何做到的呢？这一切都与电子和量子力学有关。

您可能还记得化学课上的知识，原子和分子中的电子占据轨道，即离散能级。除非电子吸收了适当的能量跃迁到下一个轨道，否则它就会停留在原轨道上。正因为如此，电子不能包含任何原有的能量，只能包含特定的、量子化的能量。这就是 "量子力学 "中"量子 "的由来，其中包括对亚原子粒子中量子化能量的研究。

防晒霜中的无机化合物具有晶体结构，并且（大部分）含有自由电子。这些电子不断地嗡嗡作响并相互作用，从而形成了一种灵活的轨道结构，称为带隙。

该带是量子力学中量子化能量问题的一个漏洞，因为它允许电子吸收宽光谱的能量。（毕竟，来自太阳的危险光波长并不只有一种）

美国能源部SLAC国家加速器实验室的物理化学家托马斯·沃尔夫说：“在孤立的原子中，原子轨道之间有非常尖锐的量子化跃迁。如果此时在一个晶格中有很多原子，就像在无机防晒霜中一样，它们的原子轨道可能会重叠。这会导致许多量子化的跃迁，这些转变的能量相当接近，并形成带。如果光被吸收，电子就会通过带隙从被占据的能带晋升为未被占据的带?！?br />

当来自太阳的紫外线光子撞击无机防晒霜时，电子会从较低的轨道冲向激发的轨道，每个电子跳跃的距离相当于激发它的光子的能量。过一段时间，激发的电子又回落到原来的轨道，将吸收的能量以热量的形式释放出来。

有机防晒霜的工作原理与此类似，但其活性成分没有带隙。相反，它们利用了共价键和杂化轨道的优点。

当两个原子几乎平均分享一个电子时，就形成了共价键，这就产生了轨道杂化（可以说是将两个独立的原子轨道混合合并成一个新的超级轨道）。有机防晒霜使用共价键合的碳原子的环和链来调节这些新的基态和激发态之间的距离。将多种不同的分子与许多不同的轨道构型结合起来，可以使有机防晒霜保护皮肤免受多种不同波长光的伤害。

研究人员从植物防晒的机制中汲取灵感，不断寻找防晒霜中激发电子释放能量的最有效机制?？蒲Ъ颐腔乖谘芯咳绾问褂谢郎顾幽陀?，因为随着时间的推移，原子吸收了一定量的能量后，它们之间的键就会断裂。

这就是防晒霜背后的科学。献给大家——即使是在海滩，你也可以把量子力学理论应用到保护皮肤上！

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭