Jonakin päivänä rypyt saavat ylleen näkymättömyysviitan.

Teksti: Kalevi Rantanen

Kun murtovaras ryömii näkymättömyysmaton alle, hän on hyvässä piilossa. Poliisi ei näe matossa kohoumaa, ei laskosta. Kaikki näkevät vain sileän maton. Tällainen metamateriaalimatto on tehty Karlsruhen teknisessä yliopistossa, tosin vasta mikroskooppisen kokoisena. Saksalainen metamateriaalitutkija Martin Wegener kävi kertomassa siitä Helsingissä tämän vuoden alussa. Metamateriaaleja eli valoa hämäävästi taittavia pintoja fyysikot ovat rakennelleet vuodesta 2000.Wegener havainnollisti esitystään kuvalla piiloutuvasta rosvosta, mutta harva haluaa piiloutua poliisilta. Paljon useampaa kiinnostaisi kosmeettinen aine, joka kätkisi ihon epätasaisuudet. Olisiko tulevaisuudessa mahdollista sekoittaa metamateriaalista sellainen voide tai geeli?– Miksipä ei, sanoo Wegener. – Vielä vähän aikaa sitten mikä tahansa näkymättömyysviitan materiaali näytti mahdottomalta, mutta nythän me valmistamme sellaisia.Ryppyviitta saattaa kuulostaa utopialta, mutta itse asiassa se olisi aivan luontevaa jatkumoa sille, mitä meikit nytkin tekevät klassisen optiikan keinoin.

Huono seos korostaa ryppyjä

Ala on alkanut keskittyä optiikkaan, koska todellisuudessa emme näe ihoa sinänsä vaan ihosta heijastuvan valon. Ohjaamalla valonsäteitä kosmetiikan kehittäjät pyrkivät ratkaisemaan ongelmia, joihin heidän edeltäjänsä törmäsivät alan pitkässä varhaishistoriassa.Rypyt ovat syvennyksiä ihossa, ja aluksi kosmetiikan valmistajille tuli mieleen täyttää kuopat voiteilla. Ihovoiteita valmistetaan sekoittamalla muun muassa pigmenttejä, polymeerejä, vahoja ja vettä. Monet vanhat seokset kuitenkin tapasivat hajota iholla osiinsa ja vielä niin, että pigmentit kertyivät ”mäkien” harjalle. Muutaman tunnin kuluttua meikki korosti ryppyjä, eli tulos oli päinvastainen kuin haluttiin.Lopulta kemistit oppivat valmistamaan seoksia, jotka pysyvät koossa. Sellainen oli ensimmäinen massatuotettu perusmeikkivoide Pan-Cake, jonka yhdysvaltalainen Max Factor toi markkinoille 1930-luvulla. Tästä pigmenttien ja talkin eli vesipitoisen magnesiumsilikaatin seoksesta tuli yksi vahvimmista kosmetiikkamerkeistä. Sitä valmistetaan yhä, joskin voimakas ”pannukakkumeikki” on suosittu enää lähinnä teatteri- ja elokuva-alalla.

Meikkaaja haluaa luonnollisuuttaTavalliset kuluttajat mieluummin välttävät teatraalista sotamaalausta. Nykyään tavoitellaan ”luonnollisuutta”, mikä merkitsee, että itse meikin on jäätävä taustalle, melkein näkymättömiin. Elämän kuluttama nahka pitää saada näyttämään pikkuprinsessan hipiältä, nuorelta ja aidolta – niin kauniilta, ettei se tarvitse meikkiä. Kemistit ja insinöörit koettavat täyttää tämän ristiriitaisen vaatimuksen.

Ihon voi epäterävöittää

Kosmetiikkapatenteissa näkyykin selvä trendi: alan yritykset kehittävät mieluummin valoa taivuttavia, taittavia ja heijastavia meikkejä kuin ihoa peittäviä materiaaleja. Näin kertoo Optics & Photonics News -lehdessä Etelä-Mississipin yliopiston polymeerikemian professori Robert Y. Lochhead, joka on syventynyt kosmetiikkakemiaan. Valon käsittelyssä tavoite on päinvastainen kuin valokuvauksessa, jossa tavallisesti pyritään suureen erotustarkkuuteen eli resoluutioon. Kosmetiikassa suositaan pehmeäpiirtoa. Kemistit esimerkiksi sijoittavat ryppyjen pohjalle mineraalihiukkasia, joiden halkaisija on noin kymmenen mikrometriä, mutta jättävät epätasaisuudet muuten ennalleen. Voimme verrata ryppyä ojaan, jonka pohjalle ladotaan kiviä mutta jota ei lapioida umpeen. ”Kivikot” ovat moniosaisia optisia järjestelmiä. Keskellä voi olla talkkia, ympärillä titaanidioksidia, sitten alumiinitrioksidia ja päällä mikrohiukkasia piidioksidista. Valo heijastuu ja hajaantuu eli siroaa hiukkasten pinnoista. Syntyy pehmeä valaistus, joka hämärtää ihon epätasaisuudet.

Ryppyjen pohjaa voi ”nostaa”

Jotkin voiteet sisältävät pieniä alumiinisuomuja, jotka on päällystetty metallioksideilla tai piipallosilla. Tällaiset hiukkaset saavat valon kimpoilemaan kuilussa eli rypyn sisällä, jolloin uurteen pohja näyttää olevan todellista korkeammalla. Myös kohouma, kuten finni, saadaan näyttämään matalammalta. Yhdysvaltalaisen Avon Productsin tutkijat kertovat kehittäneensä geelin, joka vähentää näppylän näkyvyyttä sirottamalla yläpuolelle lankeavan valon sivuun.

Nuorekas väri on mutkikas juttu

Kun iho on saatava näyttämään muutenkin nuorelta ja aidolta, oikea väri on tärkeä. Luonnollinen väri muodostuu monimutkaisessa optisessa tapahtumakulussa. Ihoon osuva valo läpäisee kolme pääkerrosta. Päällimmäisenä on orvaskesi, keskellä verinahka ja alinna ihonalaiskerros. Joka kerroksesta valo heijastuu takaisin eri tavoin. Tilannetta mutkistavat ihon omat väriaineet eli pigmentit. Orvaskesi sisältää vaihtelevia määriä ruskeaa pigmenttiä, melaniinia. Verinahkaan verisuonet tuovat punaista sävyä. Verinahka sisältää myös kollageenia, proteiinia, joka vaikuttaa väriin ikävästi. Ihmisen vanhetessa kollageeni kellastuu. Olemme kuin kirjoja, jotka tuoreina houkuttelevat lukemaan mutta ikääntyessään viestivät jo ulkonäöllään vanhenemisesta. Iholle levitetty meikki muodostaa vielä yhden kerroksen, joka heijastaa valoa omalla tavallaan. Käyttämällä sopivia hiukkasia tutkijat voivat korostaa haluttuja värisävyjä. Jos punaisuus on liian voimakasta, sävyä voi lieventää vihreillä hiukkasilla. Syntyy vaikutelma rusketuksesta. Purppuravivahdetta lievennetään kellahtavalla sävyllä.

Ihon spektriä voi säätää

Tässä ihon omien ja iholle lisättyjen ainesten on pelattava sopivasti yhteen. Esimerkiksi Unileverin tutkijat ovat kehittäneet tietyn polysakkaridin sekä titaanidioksidin ja rautaoksidin yhdistelmän, jolla saavutetaan ”terve” heijastavuus. Heijastuvat valonsäteet voivat yhdistyä toisiinsa, jolloin syntyy interferenssi-ilmiö. Perhosen siiven tai riikinkukon höyhenpinnan pienet, puoliläpäisevät osaset saavat valoaallot interferoimaan niin, että syntyy loisteliaita väriyhdistelmiä. Kosmetiikassa väriloistoa luodaan monikerroksisilla hiukkasilla. Voidaan vaikkapa päällystää borosilikaatteja metallioksideilla, joilla on erilainen taitekerroin. Näin saadaan iholle helmiäishohdetta.

Entä se näkymättömyysviitta?

Koko ajan itse kosmetiikan on pysyteltävä lähes näkymättömänä, joten kenties näkymättömyysviittoja tulee no¬peammin itse ryppyvoiteille kuin rypyille tai iholle. Ainakin toistaiseksi on ollut helpompaa kätkeä pieni ja kova hiukkanen kuin suuri ja joustava pinta. Ideoita mikrotason viitoista on jo esitetty. Carnegie Mellon -yliopiston materiaalitutkija Michael Bockstaller työtovereineen on rakentanut epäorgaanisen ja orgaanisen materiaalin yhdistelmistä nanohiukkasia, jotka on vedessä emulsiona leijuessaan saatu näyttämään jopa tuhat kertaa todellista kokoaan pienemmiltä.Ei liene aivan katteetonta optimismia ajatella, että jokin sovellus lopulta kätkee itse rypynkin.

Turha väheksyä kauneustiedettä

Kosmetiikan tutkijoita ei arvosteta.

Kosmetiikkateollisuuden tutkijat eivät saa arvostusta tiedemaailmassa. Tämä kävi ilmi, kun tiedelehti Nature viime vuonna haastatteli alan tutkijoita. Procter & Gamblen maailmanlaajuisen hiusyksikön tieteellinen johtaja, tohtori Steve Shiel muisteli, kuinka hän siirtyi kosmetiikkaan suuresta lääkeyhtiöstä. Kollegat sanoivat, että tieteellinen koulutus menee hukkaan. Shield on eri mieltä. Hänen mielestään hiuskosmetiikan kehittäminen vaatii yhtä paljon tietoa kuin lääkekehitys. Tutkijoiden pitää selvittää, miten hius kasvaa ja mikä on sen kolmiulotteinen proteiinirakenne.

Mikä tahansa ”kenkävaha” ei käy

Monet ominaisuudet, joita kuluttaja pitää itsestään selvinä, vaativat paljon tutkimusta. Tuotteen on muun muassa tunnuttava miellyttävältä iholla. Jos pigmentit ja muut kiinteät osaset takertuvat toisiinsa, meikattu iho alkaa vaikuttaa maalatulta seinältä. Kosmetiikka on suuri ja monihaarainen teollisuudenala. Taistelu ryppyjä vastaan on vain yksi sen osa-alueista. Huulipunilla, ripsiväreillä, kynsilakoilla ja hiuskiinteillä on kaikilla omat erityisvaatimuksensa.Usein joudutaan sovittamaan yhteen ristiriitaisia vaatimuksia. Huulipunan on levittävä huulille mutta ei kahvikuppiin tai paidan kaulukseen. Lisäämällä tiettyjä polymeerejä sekä pieniä silikonihartsihiukkasia leviävyys ja pysyvyys kyetään yhdistämään. Kauas on edetty ajoista, jolloin huulipunat olivat kenkä- ja autovahojen muunnoksia. Ripsivärien erityisvaatimus on, että tuotteen ainesten pitää olla harmittomia silmille. Kynsilakkojen taas on muodostettava peilimäistä, heijastavaa pintaa.

Hiuksiin silikonia

Hiuskiinne on hyvä esimerkki hankalasti yhteen sovitettavien vaatimusten täyttämisestä. Alan ensimmäiset menestystuotteet 1950-luvulla syntyivät polyvinyylipyrrolidoni-nimisen polymeerin eli pvp:n ansiosta. Pvp mahdollisti mielikuvitukselliset kampaukset ja oli samalla vesiliukoinen. Lakan saattoi poistaa helposti pesemällä. Valitettavasti vesiliukoisuuden kääntöpuolena oli kiinteen taipumus imeä kosteutta ilmasta, mikä sai hiukset takkuun. Apuun tuli eräs kemianteollisuuden työjuhdista, silikoni. Polydimetyylisiloksaani-niminen silikoniyhdiste eli pdms muodostaa pvp-kerroksen pinnalle toisen kalvon, joka suojaa kosteudelta.

Metamateriaaleista lisää: Olisinpa näkymätön, Tiede 6/2007 tai tiede.fi/arkisto

Julkaistu Tiede -lehdessä 6/2011

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.