Le rayonnement solaire arrivant sur terre couvre une gamme de longueurs d'onde s'étendant de l'ultraviolet à l'infrarouge. La partie de ce rayonnement visible par les êtres humains se situe dans la zone médiane entre 380 nanomètres (violet) et 780 nanomètres (rouge) environ. La zone inférieure est couverte par l'ultraviolet, rayonnement invisible pour les yeux humains, mais dont les effets biologiques sur la peau sont essentiels. En fonction de ces effets on partage ce rayonnement en trois domaines : les UVA (entre 320 et 400 nanomètres), agents du bronzage dont le potentiel cancérigène longtemps ignoré est maintenant reconnu ; les UVB (entre 290 et 320 nanomètres) nocifs pour la peau, cancérigènes reconnus ; enfin les UVC (de 100 à 290 nm), eux aussi très nocifs. La part relative de ces rayonnements dans le spectre solaire arrivant sur terre est très rapidement décroissante des UVA aux UVC, du fait du filtrage opéré par la couche d'ozone de la haute atmosphère (lorsque cette couche n'est pas devenue trop mince!).

Il sera donc exigé de toute crème solaire qu'elle soit un filtre optimal contre les UVB. Différents cas se présentent pour le filtrage des UVA. Si la crème doit être un écran très efficace contre les rayonnements ultraviolets, elle ne devra laisser passer ni les UVA ni les UVB. Si elle doit rester une crème "bronzante", elle pourra laisser passer une très faible proportion d'UVA. Enfin, pour l'esthétique visuelle, toutes les crèmes devront être transparentes dans la gamme spectrale visible. Ce dernier critère reste cependant susceptible de variations suivant les époques et les cultures.

Les crèmes sont principalement des émulsions chargées de nanopigments (grains de la taille d'une centaine de nanomètres) en faible concentration (environ 5% en masse), qui vont assurer l'essentiel du filtrage UV. Les émulsions sont elles-mêmes, pour l'essentiel, des mélanges d'huile et d'eau, avec une faible proportion d'agents tensio-actifs destinés à empêcher l'agglomération des nanopigments en venant les enrober. Ce sont donc les nanopigments qui jouent le rôle principal. Le matériau qui les constitue devra présenter un bord d'absorption aussi abrupt que possible en dessous de 400 nm. Leur taille devra être adaptée afin de diffuser également au maximum dans cette gamme spectrale afin d'empêcher le rayonnement de traverser la couche d'émulsion composite. L'effet de diffusion ne devra cependant pas s'étendre jusqu'au domaine visible, sinon la couche apparaîtra comme un emplâtre blanchâtre. L'indice du matériau des grains, leur taille, leur concentration dans l'émulsion, l'indice de l'émulsion et son épaisseur moyenne sur la peau constituent ainsi un ensemble de paramètres qu'il s'agit d'ajuster au mieux pour optimiser l'effet de filtrage recherché. Cette optimisation est réalisée aujourd'hui à l'aide de modèles physico-mathématiques calculant les propriétés optiques d'absorption et de diffusion de cette couche composite complexe. La base de ces calculs est la théorie de la diffusion de la lumière par des particules sphériques (modèle de Mie).

Le matériau absorbant UV le plus utilisé par les cosméticiens pour le nanopigment est l'oxyde de titane (TiO₂). Son absorption intrinsèque croît très fortement en dessous de 390 nm pour atteindre son maximum vers 310 nm. Mis sous la forme d'un grain dont le rayon est de l'ordre de 100 nm, ce matériau va diffuser le rayonnement ultraviolet en même temps qu'il l'absorbe. Une émulsion contenant ces grains en faible concentration, étalée sur la peau sous la forme d'une couche mince d'une dizaine de microns, produira alors un effet de filtre optimal, avec un bord d'absorption extrêmement abrupt vers 400 nm, s'étendant jusqu'aux UVC, tout en conservant une très bonne transparence dans le spectre visible. Il s'agit là de la "recette optique" de base des crèmes solaires mise en œuvre par tous les fabricants de cosmétiques. Différentes contraintes imposées notamment par la physico-chimie des émulsions, mais aussi par l'ajout de composants tels les parfums et les colorants viennent compliquer considérablement cette recette de base et parfois abaisser les performances optiques initiales. C'est ainsi, par exemple, qu'il est nécessaire de déposer sur les grains d'oxyde de titane une fine couche de composés d'alumine ou de silice afin de faciliter leur enrobage par le tensio-actif dans l'émulsion; mais ceci se fait au détriment de leurs propriétés de diffusion et d'absorption.

Jacques LAFAIT
Institut des NanoSciences de Paris