出品：科普中国
作者：刘煜超（中国科学技术大学）
监制：中国科普博览
骄阳似火的夏天就要到了，担心晒黑的小伙伴们出门前又多了一道“防护仪式”——涂抹防晒霜。不过，防晒可不只是为了保持白皙肤色这么简单。阳光中的紫外线就像看不见的“皮肤杀手”，长期暴露其中不仅会加速皮肤老化，还可能增加患皮肤癌等疾病的风险。正因如此，防晒产品早已不再是爱美人士的专属品，而是逐渐成为每个人夏日户外活动的“皮肤防护盾”。就像出门要带手机和钥匙一样，防晒正在成为现代人不可或缺的日常防护习惯。
各式各样的防晒用品
（图片来源：veer图库）
据《消费日报》数据，2023年中国防晒化妆品市场规模已达148亿元，并以12.3%的速度持续增长。预计到2028年，这一数字将突破224亿元。随着防晒成为日常护肤的必备步骤，越来越多的人开始好奇：
这些涂抹在皮肤上的防晒霜，究竟是如何抵御紫外线的？
它们在保护我们的同时，会对环境造成影响吗？
防晒霜上演“能量变形记”：抵御紫外线进攻
尽管市面上的防晒产品五花八门，但从作用原理来看，它们主要分为两大“作战部队”：有机防晒剂和无机防晒剂。这两类防晒剂就像皮肤的不同“防御系统”，各有一套独特的抗紫外线战术。
形形色色的有机防晒剂有着不同的化学本质，可大致分为7类，包括二苯甲酮类、水杨酸酯类、肉桂酸酯类、樟脑衍生物类等。它们的有效成分几乎都是含有共轭双键的芳香体系，使得这些分子的能级差距适配紫外线的能量范围。此外，许多起到防晒作用的化学分子都有连接在苯环上的羟基，羟基氢可以与相邻的羰基构成分子内氢键，这赋予它们额外的紫外吸收能力。
常见有机防晒剂的有效成分（紫色表示共轭部分）
（图片来源：作者）
具体来说，当这些有机防晒分子吸收紫外线后，会经历一场精彩的“能量变形记”。分子内部的氢键首先断裂，整个分子就像被充了电一样跃迁到高能状态。正如古语所说“高处不胜寒”，这种兴奋状态难以持久，分子会迅速通过释放热量的方式“冷静”下来，重新恢复稳定。这个过程就像一个个微型的“能量转换站”，周而复始地将危险的紫外光转化为无害的热能。
而无机防晒剂则展现了另一种防御策略。它们的主要“武器”是两种常见的纳米材料——二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)纳米颗粒。这两类纳米材料都属于N型半导体，当紫外线来袭时，它们价带上的电子会吸收能量跃迁到导带，同时留下带正电的“空穴”，形成特殊的电子-空穴对，这种特性使它们成为吸收紫外线的“高手”。另外，这种小粒径的纳米粒子对紫外线的有效散射也对其防晒功能有不可忽视的贡献。
金红石型TiO2的晶体结构参数
（图片来源：参考文献[1]）
防晒霜值得担忧的另一面：海洋污染源之一
当你拧开防晒霜的瓶盖，将乳白色的膏体轻轻涂抹在皮肤上时，可曾思考过这些化学物质的“最终归宿”？事实上，每一次海浪中的嬉戏，都让防晒成分随着水花悄然溶入海洋；而每晚沐浴时，那些被水流冲走的防晒残余，也正沿着城市地下纵横交错的排水管网，最终汇入浩瀚的大海。这些看似微小的个人行为，正在通过聚沙成塔的累积效应，悄然改变着海洋的生态平衡。
防晒剂进入海洋环境的途径
（图片来源：参考文献[2]）
大量实验研究为我们敲响了“警钟”，常见的无机与有机防晒剂对海洋藻类、贝类、鱼类、珊瑚等均具有明显的毒性效应，主要表现为内分泌干扰、神经毒性、致瘤性和发育毒性等。其中，虽然珊瑚白化现象备受关注，但研究事实揭示的危害远不止于此。同时，我们也应该深刻认识到，生态系统是一个不可分割的整体。因此，这些防晒产品也很有可能经过食物链的富集，通过海鲜重新回到人类的餐桌上。
防晒霜的“绿色革命”：环境友好型防晒的科技突围
对于人们不可回避的防晒需求，尽管传统防晒剂存在环境危害，但也不能一禁了之。要破解这个“防晒-环保”的两难困局，科技创新是关键突破口。下一代防晒品的开发思路主要分为两种，一是从天然产物中提取抗紫外线成分，二是人工合成环境友好型防晒剂。
近年来，研究人员对抗紫外活性天然产物的筛选取得了显著的进展。研究发现，植物中的“防晒高手”——黄酮类化合物，不仅能吸收UVA（导致皮肤老化的长波紫外线）和UVB（引发晒伤的中波紫外线），其抗氧化、抗炎特性还能增强光保护效果。除黄酮类外，某些植物油、类胡萝卜素、芪类化合物（stilbenes）和阿魏酸（ferulic acid）等天然产物也具备紫外线吸收能力。这些天然成分的防晒原理和人工合成的有机防晒剂有着异曲同工之妙——都是依靠特殊的大共轭面芳香体系来吸收阳光中的紫外线。
一种具有抗紫外活性的黄酮类化合物——槲皮素
（图片来源：veer图库）
除了从植物中提取天然防晒成分，科学家们也在实验室“定制”新一代防晒分子——既要保持紫外线吸收的能力，又要规避传统防晒剂对健康和生态的双重威胁。传统小分子防晒剂因其低分子量的特性，不仅对环境有潜在危害，还可能经透皮吸收对使用者构成健康风险。因此，研究人员开始聚焦于开发高分子聚合物防晒剂。
2023年，清华大学团队用Biginelli反应（一种高效的化学“分子缝合术”）设计出新型防晒单体，再将其与水溶性单体“手拉手”聚合，最终获得水溶性高分子防晒剂。实验证明，这种聚合物防晒剂的紫外线吸收能力不输传统成分氧苯酮。在小鼠实验中，它预防晒伤的效果显著优于传统防晒剂和市售产品。更让人惊喜的是，这种“大块头”分子既不会穿透皮肤，也不会伤害珊瑚和藻类。这项研究为开发“人体友好+海洋安全”的防晒剂提供了全新思路。
清华大学研究团队开发的珊瑚友好型高分子防晒剂
（图片来源：参考文献[5]）
对于无机防晒剂，研究人员也来了个“绿色升级”！一项很有趣的研究发现，用番茄汁代替传统化学溶剂，就能“煮”出多功能氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）。神奇的是，番茄汁在这里竟然“一物分饰三角”——同时扮演溶剂、还原剂和稳定剂三种角色。
利用番茄果汁代替传统溶剂绿色合成氧化锌纳米颗粒
（图片来源：参考文献[6]）
无独有偶，另一群科学家对无机防晒剂玩起了“原料革命”！他们选定两种绿色溶剂——二甲基异山梨醇（dimethylisosorbide）和异丙叉甘油（isopropylidene glycerol），像调制魔法药水一样，制作出了能批量生产的胶体木质素纳米颗粒。这种特制“原料”可不简单，防晒效果显著，最关键的是完全不含纳米金属，是纯天然生物基材料。
利用胶体木质素纳米颗粒为原料的防晒霜
（图片来源：参考文献[8]）
看似不起眼的防晒霜，在为我们撑起紫外线防护伞的同时，竟悄悄牵动着整个海洋生态的命运。科学家们正用智慧破解这个“护肤还是护海”的两难命题——那些正在实验室孕育的环境友好型防晒新品，或将实现“一抹防晒霜，守护人与海”的美好愿景。当科技与自然和谐共存，我们终能在呵护肌肤的同时，也为这颗蓝色星球的生生不息贡献一份温柔力量。
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