Hår hjælper med at holde os kølige i varmt vejr, viser infrarød undersøgelse – Physics World

Hår hjælper med at holde os kølige i varmt vejr, viser infrarød undersøgelse – Physics World

Tidsstempel: 29. januar 2024 12:22

Sort hår
Varmt og koldt: forskning i de infrarøde egenskaber af menneskehår tyder på, at det hjælper med at holde os kølige på varme dage. (Med høflighed: Tharish/CC BY-SA 3.0)

Hår køler hovedet i varmt vejr, mens det holder hovedbunden varm i kulden – ifølge en ny undersøgelse af, hvordan menneskehår interagerer med infrarød stråling. Forskningen er udført af videnskabsmænd i Sydkorea, som håber, at deres arbejde vil inspirere til udvikling af nye tekstiler med optimerede strålingsegenskaber.

På trods af, at det kun udgør 2 % af et typisk menneskes masse, forbruger hovedet omkring 20 % af den energi, som kroppens stofskifte forbrænder. Hovedets hudtemperatur kan være over 2°C varmere end andre steder i kroppen, så god varmestyring er derfor altafgørende – især når solen banker ned på hovedbunden.

Hår er en evolutionær tilpasning til at beskytte hovedet mod både skadelig solstråling og kulde. Ved første øjekast kan det se ud til, at prisen på denne beskyttelse er en grænse for kroppens evne til at holde hovedet køligt på varme dage ved at udstråle varme fra hovedbunden.

Radiative egenskaber

Nu er materialeforskeren Gunwoo Kim og kollegerne ved Korea Institute of Industrial Technology i Yeongcheon har udfordret denne opfattelse ved at undersøge hårets strålingsegenskaber. Ud over at få indsigt i hårets infrarøde egenskaber har teamet også undersøgt, hvordan de påvirker opvarmningen og afkølingen af ​​hovedbunden ved forskellige omgivende temperaturer.

Hår består af tre radiale lag, hvoraf det midterste lag (barken) er langt det tykkeste. Cortex består af sammenflettede bundter hovedsageligt lavet af proteinet keratin og luftlommer, der giver håret dets mekaniske egenskaber såsom dets styrke. Det ydre lag kaldes neglebåndet, som består af flere lag af tynde, flade celler, der overlapper hinanden som tagsten.

Den vigtigste absorber af solstråling i hår (og hud) er pigmentet melanin. Dette er polymer af en organisk aminosyre med ringe, der absorberer et bredt spektrum af stråling mellem det nær-infrarøde og det ultraviolette.

Hårmodeller

Kims gruppe undersøgte, hvordan hårets fysiske og kemiske egenskaber kombineres for at påvirke dets absorptionsevne (hvilket er det samme som dets emissivitet ifølge Kirchoffs lov om termisk stråling), reflektivitet og transmission ved forskellige bølgelængder. Dette blev gjort ved hjælp af matematiske modeller og ved at lave eksperimenter på sort hår (som er rigt på melanin) opnået fra en lokal salon.

De fandt ud af, at hårprøverne absorberede omkring 80 % af det indfaldende lys ved den infrarøde bølgelængde på 1 μm, som er den maksimale intensitetsbølgelængde i soludstråling. Holdet undersøgte også hårprøver, hvor melaninet var blevet fjernet ved blegning. I disse prøver var absorbansen omkring 40%. Holdet gentog sine målinger for infrarødt lys ved 10 μm, hvilket ikke er en væsentlig komponent af sollys. Efter blegning af melanin fandt de ud af, at absorptionsevnen (og emissiviteten) ved denne bølgelængde forblev omkring 90%. Dette skyldes, at absorbansen af ​​stråling ved denne bølgelængde i høj grad skyldes kemiske bindinger i andre molekyler end melanin - molekyler som keratin.

Dernæst gennemblødte forskerne hårene i vand. De fandt, at andelen af ​​absorberet solbølgelængdestråling faldt betydeligt, mens andelen af ​​stråling absorberet ved 10 μm var relativt upåvirket.

Spredning af porer

"Menneskehår har porer, der er næsten 1 μm," siger Kim, "Disse porer er meget specifikke for spredning i det nær-infrarøde område ... For fuldstændigt at blokere solstråling har vi brug for en stor længde hår: men hvis vi spreder strålingen indeni. materialet kan vi fuldstændig blokere strålingen uden at have brug for en sådan mængde materiale."

Fyldning af porer og kanter med vand havde forhindret de bratte ændringer i brydningsindekset og derved reduceret den spredning, der var nødvendig for at øge vejlængden af ​​nær-infrarød stråling i håret. Ved længere bølgelængder, der sandsynligvis udsendes af den menneskelige krop som varme, blev bølgerne imidlertid ikke spredt, men absorberet og genudsendt. Holdet valgte at studere 10 μm stråling, fordi det er i midten af ​​et atmosfærisk "gennemsigtighedsvindue". "Vi kalder dette fænomen strålingskøling, fordi vi nemt kan udsende denne stråling til rummet," siger Kim.

Forskerne gennemførte derefter feltforsøg. De fandt ud af, at en prøve af syntetisk hud dækket med hår på en kold dag endte med at blive varmere end den bare hud. På en varm dag forblev hårbeklædt syntetisk hud dog køligere. Forskerne søger nu at udvikle bio-inspirerede tekstiler baseret på principperne skitseret i en papir, der beskriver forskningen in Forsøg af National Academy of Sciences.

Luis Ruiz Pestana er ekspert i modellering af nanostrukturerede materialer ved University of Miami i USA. Han fortalte Fysik verden  at disse resultater er både imponerende og forvirrende.

"Det helt unikke er ikke, at du absorberer UV-lys, men at hår ser ud til at være rigtig gode til at udsende i det infrarøde," siger han; "Så dybest set får du det UV-lys, du absorberer det, og du frigiver det i det infrarøde spektrum."

Han er dog forvirret over den kolde temperaturadfærd, som forskerne giver data til, men kun få forklaringer: "Jeg forstod slet ikke [hvordan] hårets arkitektur tillader det infrarøde at forblive fanget mellem huden og atmosfæren." han siger "Så første del meget klar, anden del ikke så klar."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden