UV Absorber - Chất hấp thu tia cực tím

1.. Vùng cực tím trong phổ ánh sáng và tác dụng của nó với hợp chất hữu cơ

Ánh sáng là sóng năng lượng, mà mắt người chỉ nhìn thấy vùng khả kiến (có bước sóng nằm trong khoảng 400 - 700nm), vùng cực tím và hồng ngoại là vùng mắt thường không nhận biết được.
Vùng tia cực tím nằm ở bước sóng ngắn nhất, có năng lượng tác động cao. Vùng cực tím cơ bản phân làm 3 vùng: UVA (315-400nm); UVB (280-315nm); UVC (10-280nm).
Với các hợp chất hữu cơ, đại diện có các liên kết C-C và C-H, bị tác động mạnh bởi vùng UVA và UVB. Dưới tác động của tia cực tím các hợp chất hữu cơ dễ bị đứt gãy các liên kết và dẫn đến quá trình thoái hoá cấu trúc hoá học. Chính vì thế người ta tìm các cách để hạn chế tác dụng của UVA và UVB để kéo dài tuổi thọ của sản phẩm.
Cần nói thêm rằng, các vùng ánh sáng khác cũng truyền năng lượng nhưng mức tác động của chúng không tạo nên sự rung động cộng hưởng vượt mức năng lượng bền của các liên kết hữu cơ, nên vì thế chúng có mức tác động rất thấp.
Để giảm tác động của tia cực tím người ta đã tập trung tìm kiếm các hợp chất nhạy quang, có khả năng hấp thu các rung động do tia cực tím tạo nên, để triệt tiêu tác động của tia cực tím đến sản phẩm. Đối với lĩnh vực polymer, người ta đã phát triển rất nhiều các hợp chất hấp thu tia cực tím (UV Absorber) để phối trộn cùng, nhằm giảm tác hại của tia cực tím đến mạch phân tử polymer.

2.. Chất nhạy quang và chất hấp thu tia cực tím
a.. Chất nhạy quang và biểu đồ Jablonski
Sóng ánh sáng truyền năng lượng cho mọi vật, tuỳ theo cấu trúc hoá học của vật chất mà chúng hấp thu mức độ năng lượng khác nhau. Khi hấp thu năng lượng các phân tử bị cộng hưởng rung lắc, điều này làm cho các electron bị tác động mạnh.
Với những hợp chất có các electron có thể chuyển dịch ở nhiều mức năng lượng khi bị tác động bởi sóng năng lượng ánh sáng, ta gọi là hợp chất nhạy quang.

Khi nhận năng lượng quang học, hợp chất nhạy quang sẽ chuyển dịch các electron từ mức ban đầu (So) sang các mức cao hơn (S1, S2,...). Sự rung lắc ở những mức cao sẽ bị suy giảm bởi truyền dẫn rung động đến các phân tử lân cận và các electron sẽ chuyển dịch về các mức thấp hơn.

Đối với một số hợp chất tồn tại liên kết có khả năng chuyển dịch thuận nghịch (tức là liên kết có khả năng thay đổi thuận nghịch từ liên kết ban đầu sang liên kết mới), ở những trạng thái kích thích năng lượng khác nhau thì chúng sẽ bị nâng lên mức năng lượng cao, chúng chuyển nội thể (ISC -intersystem crossing) sang cấu trúc mới. Quá trình chuyển nội thể phân tử hấp thu một phần năng lượng. Như hình bên dưới, ta có thể thấy ở mức S1 sẽ chuyển sang trạng thái T1. Tất cả các trạng thái năng lượng cao, khi bị lan toả năng lượng sang các phân tử lân cận, chúng sẽ chuyển dịch về mức thấp.

Theo biểu đồ Jablonski (Jablonski Diagram) thì sự chuyển dịch mức năng lượng từ ban đầu So sang mức cao S1 sẽ có thể hình thành những trạng thái mới khi mức năng lượng cao bị lan toả suy yếu, ta có:
- Từ S1 sẽ trở về mức So, lúc này phân tử toả năng lượng khá cao, thường ngay lập tức, chúng thường phát quang (Fluorescene). Giống như bột huỳnh quang trong bóng đèn neon.
- Có khi từ S1 chúng trở về mức So không đồng loạt và không thể tạo được mức phát sáng, khi sự chuyển dịch từ S1 sang So chậm.
- Từ mức S1 chúng sẽ làm chuyển dịch nội thể, để sang một cấu trúc mới tạm thời ở mức T1 (sự chuyển dịch nội thể luôn làm tổn hao bớt một phần năng lượng tích luỹ ban đầu). Từ mức T1 chúng trở về mức So sẽ phát ra mức năng lượng có độ sai lệch thấp hơn mức chuyển lên, nếu sự dịch chuyển đồng loạt sẽ  tạo vùng ánh sáng, có mức năng lượng kém hơn (bước sóng dài) tạo màu sáng lân quang (phosphorescene). Hoặc sự chuyển dịch từ T1 về So ở tốc độ chậm và không đồng nhất thì nó chỉ sinh ra năng lượng nhiệt chứ không hình thành ánh sáng lân quang.

b.. Chất hấp thu tia cực tím (UV Absorber).
Người ta phát triển rất nhiều các hợp chất có tính hấp thu năng lượng vùng cực tím (tức là có tính hấp thu các rung lắc có tầng số tương ứng với tia cực tím sinh ra), để chuyển dịch nội thể cấu trúc, khi chúng chuyển về mức năng lượng thấp thì chỉ sinh ra năng lượng nhiệt vô hại cho các hợp chất hữu cơ, chúng được gọi là chất hấp thu tia cực tím.
Chất hấp thu tia cực tím ngày nay có ứng dụng rất nhiều, như:
- Dùng trong kính đeo mắt, để lọc tia cực tím vào mắt
- Dùng trong sản phẩm bảo vệ da
- Dùng trong sơn, màng nhựa,....

Như trên hình ta thấy rằng phân tử có liên kết chuyển dịch từ Enol ở mức thấp (So) sang Keto ở mức năng lượng cao (S1). Ban đầu, phân tử hấp thu năng lượng ánh sáng UV và chuyển sang mức S2, từ S2 chúng chuyển nội thể sang S1. Từ mức S1 chúng từng bước chuyển về các mức thấp hơn S1' và So' trước khi về mức So. Các bước nhảy suy giảm từng nấc thấp sẽ không sinh ra các sóng có hại cho phân tử, chủ yếu chỉ là nhiệt vô hại.
Trong lĩnh vực polymer, người ta xem chất hấp thu sóng năng lượng tia cực tím là biện pháp phòng thủ cho cấu trúc, chúng bảo vệ polymer trước khi polymer bị các tác động gây ảnh hưởng đến cấu trúc mạch.

Lưu ý rằng, UV-A và UV-B là 2 vùng tác động có hại đến cấu trúc polymer, tuy nhiên UV-B ở vùng sóng có bước sóng thấp hơn, tuy nhiên chúng lại tạo rung lắc cộng hưởng thấp hơn so với UV-A.

Nên hướng tạo các hợp chất bảo vệ polymer khỏi UV-A và UV-B cũng giải pháp khác nhau. Đối với UV-A thì người ta cần phân toả năng lượng tích luỹ thành nhiều cấu, nên cần bước chuyển nội thể sang (như hình là sang mức T1). Còn đối với hợp chất hấp thu năng lượng UV-B thì có thể chuyển trực tiếp bước từ mức cao về mức thấp.