Multiscale microscopic characterization of cosmetic foundation pigments: relating microstructure to optical finish, coverage, and perceived texture

每天，数以百万计的人们在脸上涂抹一层薄薄的有色乳霜，以均匀肤色。这种被称为粉底的产品是全球化妆品市场中最受欢迎的单品之一。虽然产品的颜色是根据个人的肤色精心匹配的，但另外两个特质决定了消费者是爱还是恨某一瓶特定的产品：一是光线在成品涂层上的反射方式，二是它遮盖皮肤下层组织的效果。一种产品可能看起来完美平滑且呈哑光质地，也可能闪烁着水润的光泽。它可能完全遮盖瑕疵，也可能让瑕疵清晰可见。几十年来，化妆品公司一直使用诸如“丝绒”、“焕彩”或“高遮瑕”之类的营销词汇来描述这些特性。然而，这些描述是主观的。它们告诉顾客产品在照片中看起来或感觉起来如何，但并没有解释为什么一种配方感觉厚重且哑光，而另一种感觉轻盈且透亮背后的物理原因。如果没有对瓶中微小颗粒的清晰理解，配方师本质上是在凭感觉猜测如何混合成分以达到特定的质地。

一个研究小组致力于通过观察六种来自同一全球奢侈品牌的不同商业液体粉底来解开这个谜团。他们希望将微观世界的微小颗粒与可见的光学效果以及人类的触感体验联系起来。为此，他们使用了一套强大的工具组合。首先，他们使用高倍电子显微镜拍摄干燥后的粉底残余物图像，揭示了颜料颗粒的形状和大小。他们还使用了一种可以识别这些颗粒中所含化学元素的技法。接着，他们测量了干燥薄膜的反射光量，以及它阻挡下方黑白图表视线的程度，从而为“遮瑕力”提供了一个客观评分。最后，他们邀请了三十名消费者使用一组特定的词汇来描述每种产品的质地，范围从“轻盈”到“厚重”，从“哑光”到“焕彩”。通过对比显微照片、光线测量数据和人类描述，研究人员构建了一张将产品的物理结构与其表现及体感联系起来的地图。

研究表明，这些粉底的质地和表现受两种主要无机颗粒的支配：二氧化钛和二氧化硅。这些颗粒是构成薄膜的建筑基石。二氧化钛颗粒非常微小，直径约为110至280纳米。这个尺寸至关重要，因为它大约是可见光波长的二分之一，这使得这些颗粒在散射光线和隐藏皮肤下方组织方面效率极高。另一方面，二氧化硅颗粒要大得多，直径在7至87微米之间。如果说二氧化钛负责“隐藏”能力，那么二氧化硅则控制着产品的延展性以及光线在表面的扩散方式。研究人员发现，这些颗粒的大小、形状和排列方式决定了粉底感觉是平滑还是粗糙，以及看起来是哑光还是闪亮。

当研究人员检查这六个不同的系列时，他们发现制造商使用了截然不同的策略来创造不同的妆效。在感觉最平滑且提供最均匀遮瑕效果的系列中，微小的二氧化钛颗粒是完美的圆形且分布均匀，同时较大的二氧化硅颗粒也是光滑的球体。这种组合创造了一种看起来呈哑光质地且对皮肤具有很强附着力的薄膜。相比之下，那些感觉较粗糙或有颗粒感的系列，其颗粒要么聚集在一起，要么具有凹凸不平的表面。其中一个系列采用了中空的圆柱形二氧化硅颗粒，这创造了非常哑光的视觉效果，但感觉有些粉感。另一个系列则使用了非常大的多孔二氧化硅球体与微小的二氧化钛颗粒混合，导致产品遮瑕力虽好，但感觉不够均匀。研究人员还发现，颗粒的化学成分也很重要；例如，以扁平片状形式存在的铝的存在，增加了珍珠般的光泽，使产品即使在表面并不油亮的情况下也能呈现出焕彩感。

最重要的发现是，人类对质地的感知可以通过观察这些微观细节来预测。研究人员发现，消费者自然地将他们对粉底的感觉分为两大类：产品感觉是厚重还是轻盈，以及看起来是哑光还是焕彩。这两种感觉直接对应于物理测量值。消费者描述为“哑光”和“厚重”的产品，正是那些具有最高遮瑕度和最均匀颗粒分布的产品。被描述为“焕彩”或“水润”的产品，则是那些含有特定添加剂（如铝片）的产品，这些添加剂能以特定方式反射光线，从而产生光泽感，即便薄膜本身并不油亮。这意味着，用于销售粉底的模糊营销术语实际上根植于可测量的物理现实之中。一种“哑光”妆效不仅仅是一种感觉，它是特定颗粒大小和形状平衡的结果，这种平衡以弥散的方式散射光线。

研究人员利用这些发现提出了设计粉底的三条明确规则。第一，要实现平滑的哑光妆效，配方需要直径一致且分布均匀的微小二氧化钛颗粒，并搭配光滑、致密的二氧化硅颗粒。第二，产品的遮瑕能力并非仅由二氧化钛的数量决定，而是由所有固体颗粒的总量决定的。如果颗粒过于拥挤，它们的工作效率就会下降，因此总体的混合比例比任何单一成分都更重要。第三，可以通过添加扁平的片状颗粒来调节哑光与光泽之间的平衡，这些颗粒能增加闪烁感而不让产品看起来油腻。这些规则将调配化妆品的艺术转变为一门科学，使配方师能够在产品上架之前，准确预测新配方的外观和触感。

这项工作弥合了实验室与消费者之间的鸿沟。通过将粉底的微观结构转化为质地与妆效的语言，该研究为讨论化妆品提供了一种新方式。不再依赖于可能因人而异的主观词汇，配方师现在可以使用颗粒的大小和形状作为蓝图。这种方法在在线购物时代尤为重要，因为顾客无法在购买前触摸到产品。如果一款产品被描述为“哑光”且“具有附着力”，如果这种描述有具体的物理证据（如光滑且分布均匀的颗粒）支持，消费者就可以信任这一描述。该研究证实，粉底在皮肤上的感觉并非谜团，而是由构成它的微小、不可见的颗粒世界直接决定的结果。