मिनरल सनस्क्रीन चेहरे को सफ़ेद कर देती थी। केमिस्ट्री नहीं बदली — कण का आकार बदला

पुरानी मिनरल सनस्क्रीन का वह खड़िया जैसा सफ़ेद-भूरा रंग किसी को समझाना नहीं पड़ता। वह त्वचा पर बैठी रह जाती थी, रगड़ने पर भी घुलती नहीं थी, और कमरे के दूसरे कोने से दिख जाती थी। क्रिकेट अंपायर और लाइफ़गार्ड उसे इसलिए लगाते थे कि वह काम करती थी; बाक़ी सब चुपचाप कुछ और ख़रीद लेते थे।

आज उन्हीं दो सक्रिय तत्वों — ज़िंक ऑक्साइड और टाइटेनियम डाइऑक्साइड — वाली सनस्क्रीन लगभग अदृश्य हो सकती है। यौगिक वही हैं। रसायन वही है। बदला सिर्फ़ इतना है कि पाउडर कितना बारीक़ पीसा गया है — और इसी एक चर का पीछा करने पर रंग, सुरक्षा, सुरक्षा-विवाद और लेबल पर छपी लगभग हर चीज़ समझ में आ जाती है।

ये पराबैंगनी को परावर्तित नहीं करते, सोखते हैं

सबसे पहले उस वाक्य को ठीक करना ज़रूरी है जो लगभग हर प्रोडक्ट पेज पर लिखा रहता है। मिनरल फ़िल्टर को अक्सर "फ़िज़िकल ब्लॉकर" कहा जाता है, जो "त्वचा के ऊपर बैठकर UV को आईने की तरह लौटा देते हैं", जबकि "केमिकल फ़िल्टर" उसे सोखते हैं। कहानी सुनने में अच्छी है और ज़्यादातर ग़लत है।

ज़िंक ऑक्साइड और टाइटेनियम डाइऑक्साइड अर्धचालक हैं, और हर अर्धचालक की तरह इनका एक बैंड गैप होता है — ऊर्जा की वह दहलीज़ जिससे कम ऊर्जा वाला फ़ोटॉन बिना रुके निकल जाता है और जिससे ज़्यादा ऊर्जा वाला सोख लिया जाता है, क्योंकि वह एक इलेक्ट्रॉन को गैप के पार धकेल देता है। ज़िंक ऑक्साइड का बैंड गैप क़रीब 3.3 eV है, यानी लगभग 375 nm की रोशनी। टाइटेनियम डाइऑक्साइड के रूटाइल रूप में यह 3.0 eV के आसपास और एनाटेज़ में 3.2 eV के आसपास है — यानी 390 से 410 nm का इलाक़ा।

पराबैंगनी किरणों की ऊर्जा इस दहलीज़ से ऊपर है, इसलिए वे सोख ली जाती हैं। दृश्य प्रकाश की ऊर्जा उससे कम है, इसलिए वह निकल जाता है। इन्हीं दो यौगिकों के चुने जाने की पूरी वजह यही है: इनकी कट-ऑफ़ ठीक उसी सरहद पर पड़ती है जहाँ आप पराबैंगनी को रोकना चाहते हैं और दृश्य प्रकाश को गुज़र जाने देना चाहते हैं, ताकि त्वचा त्वचा जैसी दिखे।

सोखी हुई ऊर्जा ज़्यादातर ऊष्मा में बदल जाती है — वही अंजाम जो किसी कार्बनिक फ़िल्टर द्वारा सोखी गई ऊर्जा का होता है। नैनो-आकार के कणों में पराबैंगनी की रोकथाम का बड़ा हिस्सा अवशोषण से आता है; परावर्तन और प्रकीर्णन का हिस्सा छोटा है। आईने वाली तस्वीर एक मार्केटिंग रूपक है, जो इसलिए टिकी रही क्योंकि वह "निष्क्रिय" और इसलिए सुरक्षित लगती है।

दोनों की कट-ऑफ़ की जगह भी काम की है। ज़िंक ऑक्साइड लंबी तरंगदैर्घ्य वाले UVA1 इलाक़े में, 370–380 nm के आसपास, ज़्यादा दूर तक जाता है — इसीलिए ब्रॉड-स्पेक्ट्रम सुरक्षा में उसकी क़दर है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड UVB और छोटी UVA में ज़्यादा मज़बूत है। कई फ़ॉर्मूलेशन दोनों साथ रखते हैं।

पुरानी सफ़ेद क्यों थी, नई क्यों नहीं

अगर पराबैंगनी अवशोषण बैंड गैप से तय होता है, और बैंड गैप को कण के आकार से कोई मतलब नहीं, तो आकार बदलने से कुछ बदलता क्यों है?

क्योंकि अवशोषण अकेली घटना नहीं है। कण रोशनी को प्रकीर्णित भी करते हैं, और प्रकीर्णन कण के आकार और तरंगदैर्घ्य के रिश्ते पर बहुत तेज़ी से निर्भर करता है।

जब कण रोशनी की तरंगदैर्घ्य से बहुत छोटा हो, प्रकीर्णन कमज़ोर होता है और कण घटने के साथ बेहद तेज़ी से गिरता है — रैले क्षेत्र में यह व्यास की छठी घात के अनुपात में चलता है। जब कण तरंगदैर्घ्य के बराबर हो, प्रकीर्णन तेज़ होता है और लगभग सफ़ेद दिखता है। दृश्य प्रकाश क़रीब 400 से 700 nm तक फैला है, इसलिए 200 से 300 nm का पिगमेंट-ग्रेड ऑक्साइड कण ठीक उसी दायरे में बैठता है जहाँ दृश्य प्रकाश ज़ोर से बिखरता है। यह संयोग नहीं है: यही दोनों मटेरियल, इसी आकार पर, दुनिया के सबसे बड़े सफ़ेद पिगमेंट हैं — पेंट, काग़ज़, टूथपेस्ट और केक की आइसिंग तक में।

अब कण को 30 से 50 nm पर ले आइए। अब वह किसी भी दृश्य तरंगदैर्घ्य से कहीं छोटा है, इसलिए दृश्य प्रकीर्णन कई गुना गिर जाता है और परत पारदर्शी हो जाती है। पर 300–380 nm की पराबैंगनी अब भी सोखी जा रही है, क्योंकि अवशोषण बैंड गैप का गुण है और बैंड गैप ज्यों का त्यों है। सफ़ेदी चली जाती है, सुरक्षा बनी रहती है।

पूरा खेल यही है, और यह इस बात का सबसे साफ़ उदाहरणों में से एक है कि नैनो पैमाने पर आकार ख़ुद एक गुण की तरह बर्ताव करता है।

पर यह मुफ़्त नहीं है। कण छोटा करते जाने पर दो चीज़ें पीछे खींचती हैं। बहुत छोटे ज़िंक ऑक्साइड कण लंबी UVA वाले सिरे पर कुछ असर खो देते हैं — यानी पूरी पारदर्शिता के पीछे भागता फ़ॉर्मूलेटर चुपचाप वही सुरक्षा छोड़ सकता है जिसके लिए ज़िंक ऑक्साइड चुना गया था। और छोटे कणों में आपस में चिपककर गुच्छे बनाने की तेज़ प्रवृत्ति होती है — और गुच्छा प्रकाशिकी की नज़र में वही बड़ा कण है जिससे बचने की कोशिश हो रही थी। यानी जो ऊपर से बनावट की समस्या दिखती है, वह असल में कोलॉइड-स्थिरता की समस्या है।

वह गुण जिसे बंद करना पड़ा

अब वह हिस्सा, जो इन दो ऑक्साइड को सिर्फ़ उपयोगी नहीं, दिलचस्प बनाता है।

पराबैंगनी रोशनी में टाइटेनियम डाइऑक्साइड एक फ़ोटोकैटेलिस्ट है। बैंड गैप के पार धकेला गया इलेक्ट्रॉन और पीछे छूटा धनावेशित होल — दोनों कण की सतह तक पहुँचकर वहाँ अभिक्रियाएँ चला सकते हैं, और पानी व ऑक्सीजन से सक्रिय ऑक्सीजन प्रजातियाँ बना सकते हैं। ज़िंक ऑक्साइड भी यही करता है। यह कोई ख़राबी नहीं है। यह एक नामी और कमाऊ गुण है: सेल्फ़-क्लीनिंग काँच और फ़ोटोकैटेलिटिक कोटिंग के पीछे यही तंत्र है, जहाँ मक़सद ही यह है कि रैडिकल बनें और मैल तोड़ें।

इमारत पर यह ख़ूबी है। त्वचा पर यह आख़िरी चीज़ है जो आप चाहेंगे — और यह बेकार होने से भी बुरी है, क्योंकि कण की सतह पर बने मुक्त मूलक ठीक उसी सतह से सटे बैठे हैं जिसे बचाने के लिए सनस्क्रीन लगाई गई थी।

इसलिए सनस्क्रीन-ग्रेड ऑक्साइड कच्चे ऑक्साइड नहीं होते। उन पर सतह-उपचार होता है: सिलिका, ऐलुमिना, या डाइमेथिकोन व स्टीयरेट जैसी जल-विकर्षी परत — कभी-कभी इनका मेल। यह कोटिंग दो काम करती है। एक, वह कण के भीतर बने रैडिकल और बाहर की दुनिया के बीच दीवार खड़ी कर देती है और सतही फ़ोटो-सक्रियता बहुत हद तक दबा देती है। दो, वह तय करती है कि कण इमल्शन के तेल या पानी वाले हिस्से में कैसे फैलेगा — यानी पिछले हिस्से वाली गुच्छे की समस्या।

यहाँ क्रिस्टल का रूप भी मायने रखता है। रूटाइल टाइटेनियम डाइऑक्साइड एनाटेज़ के मुक़ाबले काफ़ी कम फ़ोटो-सक्रिय है — इसीलिए सनस्क्रीन ग्रेड रूटाइल होते हैं और सेल्फ़-क्लीनिंग ग्रेड एनाटेज़ या एनाटेज़-बहुल मिश्रण। एक ही यौगिक, दो उत्पाद, जानबूझकर उलटी स्पेसिफ़िकेशन।

एक ही गुण किसी उत्पाद की जान है और किसी में खोट। मटेरियल साइंस की यह सामान्य हालत है, और यही वजह है कि यौगिक का नाम कभी स्पेसिफ़िकेशन नहीं होता — असली इंजीनियरिंग क्रिस्टल-रूप, कण-आकार और सतह-उपचार में छिपी होती है।

SPF क्या वादा करता है, और क्या नहीं

फ़िल्टर ठीक बना हो, तो अगली पढ़ने लायक़ चीज़ बोतल पर छपा नंबर है।

SPF UVB से सुरक्षा नापता है, क्योंकि उसकी परिभाषा ही धूप से त्वचा लाल होने पर टिकी है — सुरक्षित त्वचा को लाल करने के लिए ज़रूरी पराबैंगनी मात्रा और बिना सुरक्षा वाली त्वचा के लिए ज़रूरी मात्रा का अनुपात। यह इंसानों पर नापा जाता है, और 2 mg/cm² की मोटाई पर नापा जाता है — यानी चेहरे और गर्दन के लिए क़रीब एक भरी चम्मच, और पूरे शरीर के लिए लगभग 30 ml।

इतना कोई नहीं लगाता। असल इस्तेमाल आम तौर पर उसका चौथाई से आधा होता है, और सुरक्षा उसी अनुपात में नहीं गिरती — उससे तेज़ गिरती है, क्योंकि रोकथाम परत की मोटाई के साथ चरघातांकी है। इसका सीधा मतलब यह है कि पतला लगाया हुआ बड़ा नंबर ठीक से लगाए गए मँझले नंबर से कम काम कर सकता है, और दोबारा लगाना छपे हुए आँकड़े से ज़्यादा मायने रखता है।

नंबर ऊपर जाकर सिकुड़ते भी हैं। SPF 15 एरिथेमल UVB का क़रीब 93% रोकता है, SPF 30 लगभग 96.7%, और SPF 50 क़रीब 98%। 30 से 50 पर जाना असली सुधार है, पर अंकगणित जितना बड़ा लगता है उतना बड़ा नहीं — और 50 तथा "50+" के बीच का मार्केटिंग फ़ासला उससे भी छोटा है।

UVA की माप अलग है, और लेबल यहीं देश-दर-देश बदलते हैं। UVA जल्दी जलाती नहीं, पर गहरे उतरती है और फ़ोटो-एजिंग तथा DNA क्षति करती है। यूरोपीय तरीक़ा कम से कम 370 nm की क्रिटिकल वेवलेंथ और लेबल किए गए SPF का कम से कम एक-तिहाई UVA सुरक्षा माँगता है, जिसे गोले में लिखे "UVA" चिह्न से दिखाया जाता है। जापान से आई PA+ से PA++++ प्रणाली, जो भारत और एशिया में आम है, स्थायी रंजक-कालेपन के आधार पर श्रेणी देती है। बिना UVA चिह्न वाला ऊँचा SPF अधूरा उत्पाद है, नंबर चाहे जो कहे।

सुरक्षा के प्रमाण असल में क्या कहते हैं

सनस्क्रीन में नैनोकणों पर बहस दो दशक पुरानी है, और मुख्य सवाल पर प्रमाण अब काफ़ी हद तक स्थिर हैं — जबकि एक छोटे सवाल पर सचमुच खुले हैं।

त्वचा में प्रवेश पर बार-बार अध्ययन हुए हैं — स्वयंसेवकों पर, क्षतिग्रस्त और धूप से जली त्वचा पर, और समस्थानिक-चिह्नित ज़िंक के साथ। लगातार यही निकला है कि ये कण स्ट्रैटम कॉर्नियम — यानी सबसे बाहरी मृत परत — और रोमछिद्रों के मुँह तक ही रहते हैं, जीवित एपिडर्मिस तक उल्लेखनीय मात्रा में नहीं पहुँचते। समस्थानिक वाले अध्ययन में बहुत थोड़ा ज़िंक शरीर में गया ज़रूर, पर घुले हुए आयन के रूप में, कण के रूप में नहीं, और मात्रा भोजन से मिलने वाले ज़िंक के सामने नगण्य थी। यूरोपीय आयोग की वैज्ञानिक समिति ने इसी आधार पर दोनों ऑक्साइड की बार-बार समीक्षा की है।

असली सावधानी साँस वाले रास्ते पर चाहिए, और वह त्वचा से बिलकुल अलग सवाल है। साँस के ज़रिए गए टाइटेनियम डाइऑक्साइड को IARC ने पशु-प्रमाणों के आधार पर संभावित मानव कैंसरकारक (समूह 2B) में रखा है — यह वर्गीकरण पाउडर साँस में जाने के बारे में है, उसे त्वचा पर लगाने के बारे में नहीं। व्यावहारिक अनुवाद साफ़ है: स्प्रे और खुले पाउडर वाली मिनरल सनस्क्रीन साँस में जा सकने वाला एरोसोल बनाती है, क्रीम और लोशन नहीं। चेहरे के पास स्प्रे मत कीजिए — जिस एक रास्ते पर प्रमाण उँगली उठाते हैं, उसे स्वीकार करने की कोई वजह नहीं।

पर्यावरण वाले सवाल अब भी खुले हैं। हवाई, पलाऊ और अन्य जगहों के रीफ़-संरक्षण क़ानून ऑक्सीबेंज़ोन और ऑक्टिनॉक्सेट जैसे कार्बनिक फ़िल्टर पर लगे हैं, मिनरल फ़िल्टर पर नहीं — मिनरल सनस्क्रीन आम तौर पर उनका विकल्प है, निशाना नहीं। पर बड़ी मात्रा में तटीय पानी में पहुँचते नैनो ज़िंक ऑक्साइड और टाइटेनियम डाइऑक्साइड की अपनी पारिस्थितिक-विषाक्तता है, जिसमें घुले ज़िंक की समुद्री जीवों पर विषाक्तता शामिल है। यानी "रीफ़ सेफ़" एक विपणन दावा है, कोई नियामक प्रमाणपत्र नहीं।

मेटल-ऑक्साइड स्पेसिफ़िकेशन कैसे पढ़ें

जो इन मटेरियल से फ़ॉर्मूलेशन बनाते हैं या प्रयोगशाला में इन पर काम करते हैं, उनके लिए "ज़िंक ऑक्साइड" और "टाइटेनियम डाइऑक्साइड" यौगिक का नाम हैं, ग्रेड का नहीं। डेटाशीट की पाँच पंक्तियाँ बर्ताव तय करती हैं।

1. क्रिस्टल रूप। टाइटेनियम डाइऑक्साइड में रूटाइल या एनाटेज़ — और यह फ़ोटो-सक्रियता को कई गुना बदल देता है। इसे लिखकर माँगिए, अनुमान मत लगाइए।
2. प्राथमिक कण आकार और उसका वितरण। 40 nm का औसत, जिसकी पूँछ कुछ सौ नैनोमीटर तक जाती हो, एक कसे हुए वितरण से बिलकुल अलग बर्ताव करता है — और वही पूँछ आपको धुँधलेपन के रूप में दिखती है।
3. सतह-उपचार। कौन-सी कोटिंग और कितनी। सिलिका, ऐलुमिना, स्टीयरेट, सिलिकॉन या इनका ढेर — यही फ़ोटो-सक्रियता का दबाव और फैलाव दोनों तय करता है, और यह भी कि पाउडर का कितना हिस्सा असल में सक्रिय ऑक्साइड है।
4. विशिष्ट सतही क्षेत्रफल, BET से। जिन कणों की तस्वीर आसानी से नहीं ली जा सकती, उनके लिए यही व्यावहारिक आकार-सूचक है, और सप्लायरों के बीच सीधे तुलना करने लायक़ है।
5. शुद्धता और बची हुई धातुएँ। कॉस्मेटिक-ग्रेड मटेरियल के लिए भारी धातुओं की सीमा नियामक शर्त है और विषविज्ञान के काम में गड़बड़ी की वजह — और यही पंक्ति एक ही नाममात्र आकार पर कॉस्मेटिक ग्रेड और औद्योगिक पिगमेंट ग्रेड को अलग करती है।

परिक्षेपण प्रोटोकॉल को इनके बाद नहीं, इन्हीं के साथ रखिए। बढ़िया स्पेसिफ़िकेशन वाला पाउडर अगर आपके इमल्शन में गुच्छे बना ले, तो वह उस साधारण ग्रेड से ख़राब निकलेगा जो फैला हुआ रहता है — और ठीक इसी वजह से पहले से फैलाए गए ग्रेड बिकते हैं।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

पढ़ाने के लिहाज़ से यह असामान्य रूप से अच्छा उदाहरण है, क्योंकि यहाँ एक ही चर — कण का आकार — एक साथ एक प्रकाशिक गुण, एक कार्यात्मक गुण और एक नियामक बहस को नियंत्रित करता है, और छात्र इनमें से हर एक को अपनी आँखों से देख सकता है, किसी विशेष उपकरण के बिना।

यह एक आदत भी सिखाता है जो जल्दी पड़ जाए तो अच्छा है: यौगिक के नाम से आगे पढ़ना। रूटाइल और एनाटेज़ रासायनिक रूप से एक हैं और इस काम के लिए उलटे। एक ही आकार के कोटेड और अनकोटेड कण की सतही रसायन बिलकुल अलग है। जो किसी भी मटेरियल-दावे को मानने से पहले "कौन-सा रूप, कितना आकार, कौन-सी कोटिंग" पूछना सीख गया, वह कैरेक्टराइज़ेशन का ज़्यादातर मक़सद सीख गया।

खुले सवाल भी असली हैं। कोटेड मेटल-ऑक्साइड नैनोकणों का दीर्घकालिक पर्यावरणीय अंजाम — और यह कि कोटिंग मौसम और मल-जल शोधन से गुज़रकर बची रहती है या नहीं — तय नहीं है। लंबी धूप में कोटिंग कितनी टिकती है, यानी ताज़ा मटेरियल पर नापी गई फ़ोटो-सक्रियता की रोकथाम त्वचा पर घंटों धूप के बाद भी क़ायम रहती है या नहीं, इस पर जितना प्रकाशित काम होना चाहिए उतना नहीं है। और 2 mg/cm² पर नापे गए प्रयोगशाला SPF तथा लोग असल में जितना लगाते हैं, उसके बीच की खाई एक व्यवहार व फ़ॉर्मूलेशन का सवाल है, जिसका जन-स्वास्थ्य पर असर SPF का एक और अंक बढ़ाने से कहीं बड़ा है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

मिनरल सनस्क्रीन केमिकल सनस्क्रीन से बेहतर है क्या?

दोनों का तंत्र लेबल की भाषा से कहीं ज़्यादा मिलता-जुलता है — दोनों पराबैंगनी सोखते हैं, बस मिनरल फ़िल्टर यह काम अर्धचालक बैंड गैप से करते हैं और कार्बनिक फ़िल्टर एक कार्बनिक क्रोमोफ़ोर से। मिनरल फ़िल्टर प्रकाश-स्थिर होते हैं और संपर्क-एलर्जी कम करते हैं, इसलिए संवेदनशील और शिशु त्वचा के लिए आम सिफ़ारिश वही है; कार्बनिक फ़िल्टर से ऊँचे SPF वाला हल्का, सचमुच अदृश्य उत्पाद बनाना आसान है। सबसे अच्छी सनस्क्रीन फिर भी वही है जो मोटी लगे और दोबारा लगे — दोनों परिवारों के बीच का चुनाव इसके सामने बहुत छोटी बात है।

क्या सनस्क्रीन के नैनोकण शरीर में समा जाते हैं?

प्रमाणों के हिसाब से लगभग नहीं — न सामान्य त्वचा में, न धूप से जली त्वचा में। अध्ययन लगातार इन कणों को स्ट्रैटम कॉर्नियम और रोमछिद्रों के मुँह तक ही पाते हैं। समस्थानिक-चिह्नित ज़िंक वाले अध्ययनों में बहुत थोड़ा ज़िंक शरीर में मिला, पर घुले आयन के रूप में, कण के रूप में नहीं, और भोजन से मिलने वाली मात्रा के सामने नगण्य। जिस रास्ते पर सावधानी चाहिए वह त्वचा नहीं, साँस है — और यह ख़ास तौर पर स्प्रे और पाउडर वाले रूपों के ख़िलाफ़ तर्क है।

कुछ मिनरल सनस्क्रीन आज भी सफ़ेद क्यों छोड़ती हैं?

या तो कण जानबूझकर नैनो-आकार के नहीं हैं, या वे गुच्छे बना चुके हैं। कुछ ब्रांड उपभोक्ता पसंद के चलते नॉन-नैनो ग्रेड इस्तेमाल करते हैं और सफ़ेदी स्वीकार कर लेते हैं; कुछ टिंटेड फ़ॉर्मूले आयरन ऑक्साइड डालकर उसे ढक देते हैं। और किसी भी फ़ॉर्मूले में ख़राब परिक्षेपण छोटे कणों को जोड़कर प्रकाशिक रूप से बड़े कण बना देता है, जो दृश्य प्रकाश बिखेरते हैं और वही सफ़ेदी लौटा लाते हैं जिससे बचने के लिए छोटा आकार चुना गया था।

अगर टाइटेनियम डाइऑक्साइड सेल्फ़-क्लीनिंग काँच पर मैल तोड़ता है, तो मेरे चेहरे पर क्या कर रहा है?

काँच पर वह एनाटेज़ है और बिना कोटिंग के, क्योंकि वहाँ फ़ोटोकैटेलिसिस ही उत्पाद है। सनस्क्रीन में वह रूटाइल है और सिलिका, ऐलुमिना या सिलिकॉन परत से ढका है — ठीक इसीलिए कि फ़ोटोकैटेलिसिस न हो। यौगिक वही, स्पेसिफ़िकेशन उलटी, और दोनों जगह सोच-समझकर चुनी हुई।

क्या ज़्यादा SPF का मतलब उसी अनुपात में ज़्यादा सुरक्षा है?

नहीं — पैमाना जल्दी सपाट हो जाता है। SPF 30 एरिथेमल UVB का क़रीब 96.7% रोकता है और SPF 50 लगभग 98%, यानी इस छलाँग का दूसरा हिस्सा नंबर के मुक़ाबले बहुत कम ख़रीदता है। ज़्यादा मायने यह रखता है कि आपने कितना लगाया: प्रयोगशाला में SPF 2 mg/cm² पर नापा जाता है, ज़्यादातर लोग उसका एक अंश लगाते हैं, और सुरक्षा उस कमी से भी तेज़ गिरती है। साथ में UVA चिह्न भी देखिए, क्योंकि अकेला SPF उसके बारे में कुछ नहीं कहता।