化学与生活

炎炎夏日 酷酷墨镜——太阳眼镜中的化学

本文作者:竹悠

炎热的夏季,除了酷暑难耐,还有刺眼的阳光,人们因此也可以光明正大的戴上钟爱的太阳眼镜了,这不仅是时尚,更是保护眼睛不受紫外线的伤害。我们都知道夏季需要防晒要不会变黑,但少有人知道眼睛也需要防晒。

来自太阳的紫外线辐射Ultraviolet (UV) radiation波长范围为100-400nm,比可见光波长短频率高,能量也高。按波长可分为三组:

UV A (315-400 nm)

UV B (280-315 nm)

UV C (100-280 nm).

当阳光穿越大气层时,所有的UV C 和约90%的UV B辐射被臭氧层、水蒸气、氧气和二氧化碳吸附,UV A受到的影响较小,因此地球表面的紫外线大部分是UV A和少量UV B。紫外线的强度,可以用紫外线指数UV index表征,数字越高,危害越大,达到3级及以上就需要防护了。

紫外线指数及颜色. 图片来源:WHO[1]

紫外线的能量较高,因此过量暴露在阳光下会引起皮肤癌、白内障和免疫系统疾病。紫外线也和可见光一样具有穿透性,眼球中的晶状体长期接受紫外线的照射会发生老化、浑浊,增加患白内障的几率。

这时,一副太阳眼镜可以隔绝大部分紫外线的侵入,那么,太阳眼镜和普通眼镜的联系和区别在哪呢?[2]

如其他眼镜一样,太阳眼镜也是由透光材料做成的,常用的有玻璃和树脂材料,如聚碳酸酯polycarbonates或聚烯丙基二甘醇碳酸脂polyaallyl diglcol carbonate PADC,后者又称为CR-39。

在眼镜表面镀上一层铝或银,可以产生镜面效果。而金属氧化物涂层如氧化硅、氧化钛、三氧化二铁、二氧化锰等可以减少紫外线的透光率,保护眼睛。

变色太阳眼镜的另一重要武器是光致变色。光致变色指的是某些化合物在一定的波长和强度的光作用下分子结构会发生变化,从而导致其对光的吸收峰值和颜色的相应改变,且这种改变一般是可逆的。当没有紫外线照射时,可见光是可以穿透这些分子的,当暴露在太阳光的紫外线下时,这些分子将会经过一个可逆变化,使得它们的分子结构发生改变,新的分子结构会吸收一部分可见光,从而使镜片变暗,减小紫外线的透过率。离开紫外线的照射时,这些分子将会迅速的恢复到原来的结构。

图片来源:https://www.allaboutvision.com

最初的变色眼镜使用含无机卤化银(AgX)的可逆光致变色材料。如氯化银见光分解,变成许多微小的黑色银颗粒,均匀的分布在镜片中,镜片变暗淡,阻碍光的透过。没有紫外辐射时,在铜离子催化下,银原子和氯原子重新结合为氯化银,镜片又变得透明。

有机光致变色材料,如萘并吡喃类napthopyrans具有良好的光响应性,有效的着色性,以及较好的光稳定性,加入到透明的树脂镜片中,可以用于变色太阳镜片。萘并吡喃在紫外辐射下吡喃环开环为顺式和反式结构,产物吸收光谱发生变化,如化合物3HNP、indeno-NP、5MR、6MR、7MR等的吸收光谱变化。[3]

图(a)CFs的紫外吸收光谱,(b)在紫外辐射下单瞬态吸收光谱,(c)最大吸收波长处吸收度随时间的变化图。图片来源:Adv. Mater.

最后,用图普及一下防护紫外线的小知识:

图片来源:http://www.weather.gov.sg

参考资料

  • [1] https://www.who.int/health-topics/ultraviolet-radiation#tab=tab_1
  • [2] https://cen.acs.org/articles/94/i19/Periodic-graphics-chemistry-sunglasses.html
  • [3] Hayato Kuroiwa, Yuki Inagaki, Katsuya Mutoh, Jiro Abe

On-Demand Control of the Photochromic Properties of Naphthopyrans

Adv. Mater. 2019, 1805661 DOI: 10.1002/adma.201805661

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