Hiukset auttavat pitämään meidät viileinä kuumalla säällä, infrapunatutkimus paljastaa – Physics World

Hiukset viilentävät päätä kuumalla säällä ja pitävät päänahan lämpimänä kylmässä – uuden tutkimuksen mukaan hiusten vuorovaikutuksessa infrapunasäteilyn kanssa. Tutkimuksen tekivät Etelä-Korean tutkijat, jotka toivovat työnsä inspiroivan uusien tekstiilien kehittämiseen optimoiduilla säteilyominaisuuksilla.

Vaikka pään osuus on vain 2 % tyypillisen ihmisen massasta, se kuluttaa noin 20 % kehon aineenvaihdunnan polttamasta energiasta. Pään ihon lämpötila voi olla yli 2°C lämpimämpi kuin muualla kehossa, joten hyvä lämmönhallinta on tärkeää – varsinkin kun aurinko lyö päänahkaa.

Hiukset on evoluution mukainen mukautus suojaamaan päätä sekä haitallisilta auringonsäteilyltä että kylmältä. Ensi silmäyksellä saattaa tuntua, että tämän suojan hinta rajoittaa kehon kykyä pitää pään viileänä kuumina päivinä säteilemällä lämpöä päänahasta.

Säteilyominaisuudet

Nyt kuitenkin materiaalitieteilijä Gunwoo Kim ja kollegat Korea Institute of Industrial Technology Yeongcheonissa ovat kyseenalaistaneet tämän näkemyksen tutkimalla hiusten säteilyominaisuuksia. Sen lisäksi, että tiimi on saanut käsityksen hiusten infrapunaominaisuuksista, se on myös tutkinut, kuinka ne vaikuttavat päänahan lämmitykseen ja jäähdytykseen erilaisissa ympäristön lämpötiloissa.

Hiukset muodostuvat kolmesta säteittäisestä kerroksesta, joista keskikerros (aivokuori) on ylivoimaisesti paksuin. Aivokuori koostuu kietoutuneista nipuista, jotka on tehty pääasiassa proteiinikeratiinista ja ilmataskuista, jotka antavat hiuksille sen mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuuden. Ulkokerrosta kutsutaan kynsinauhoiksi, joka koostuu useista kerroksista ohuita, litteitä soluja, jotka ovat päällekkäin kuin kattotiilet.

Pääasiallinen auringonsäteilyn absorboija hiuksissa (ja ihossa) on pigmentti melaniini. Tämä on orgaanisen aminohapon polymeeri, jossa on renkaat, jotka absorboivat laajan spektrin säteilyä lähi-infrapuna- ja ultraviolettisäteilyn välillä.

Hiusmallit

Kimin ryhmä tutki, kuinka hiusten fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaikuttavat hiusten absorptiokykyyn (mikä on sama asia kuin sen emissiokyky Kirchoffin lämpösäteilyn lain mukaan), heijastavuus ja läpäisy eri aallonpituuksilla. Tämä tehtiin käyttämällä matemaattisia malleja ja tekemällä kokeita mustilla hiuksilla (joissa on runsaasti melaniinia), jotka oli hankittu paikallisesta salongista.

He havaitsivat, että hiusnäytteet absorboivat noin 80 % tulevasta valosta 1 μm:n infrapuna-aallonpituudella, joka on auringon säteilyn enimmäisintensiteetin aallonpituus. Ryhmä tutki myös hiusnäytteitä, joista melaniini oli poistettu valkaisulla. Näissä näytteissä absorbanssi oli noin 40 %. Ryhmä toisti mittauksensa 10 μm:n infrapunavalolle, joka ei ole merkittävä osa auringonvaloa. Melaniinin valkaisun jälkeen he havaitsivat, että absorptio (ja emissiokyky) tällä aallonpituudella pysyi noin 90 prosentissa. Tämä johtuu siitä, että säteilyn absorbanssi tällä aallonpituudella johtuu suurelta osin kemiallisista sidoksista muissa molekyyleissä kuin melaniinissa – molekyyleissä, kuten keratiinissa.

Seuraavaksi tutkijat liottivat hiukset veteen. He havaitsivat, että absorboituneen auringon aallonpituuden säteilyn osuus väheni merkittävästi, kun taas 10 μm:ssä absorboituneen säteilyn osuus oli suhteellisen ennallaan.

Sirottelevat huokoset

"Ihmisen hiuksissa on huokoset, jotka ovat lähes 1 μm", Kim sanoo. "Nämä huokoset ovat hyvin spesifisiä sironnan suhteen lähi-infrapuna-alueella... Auringon säteilyn estämiseksi kokonaan tarvitsemme pitkän hiuksen: mutta jos hajotamme säteilyn sisälle. materiaalin avulla voimme estää säteilyn kokonaan ilman, että tarvitsemme tällaista materiaalitilavuutta."

Huokosten ja reunojen täyttäminen vedellä oli estänyt äkilliset taitekertoimen muutokset ja siten vähentänyt sirontaa, joka oli tarpeen lähi-infrapunasäteilyn polun pituuden lisäämiseksi hiuksissa. Pitemmillä aallonpituuksilla, joita ihmiskeho todennäköisesti säteilee lämpönä, aallot eivät kuitenkaan sironneet, vaan absorboituivat ja säteilevät uudelleen. Ryhmä päätti tutkia 10 μm:n säteilyä, koska se on ilmakehän "läpinäkyvyysikkunan" keskellä. "Kutsumme tätä ilmiötä säteilyjäähdytykseksi, koska voimme lähettää tämän säteilyn helposti avaruuteen", Kim sanoo.

Jääkarhun turkki inspiroi aurinkolämpötekstiilejä

Tämän jälkeen tutkijat suorittivat kenttäkokeita. He havaitsivat, että kylmänä päivänä karvojen peittämä synteettisen ihon näyte oli lämpimämpi kuin paljas iho. Lämpimänä päivänä karvapeitteinen synteettinen iho pysyi kuitenkin viileämpänä. Tutkijat pyrkivät nyt kehittämään biovaikutteisia tekstiilejä, jotka perustuvat kohdassa a esitettyihin periaatteisiin tutkimusta kuvaava paperi in Kansallisen tiedeakatemian toimet.

Luis Ruiz Pestana on nanorakenteisten materiaalien mallinnuksen asiantuntija Miamin yliopistossa Yhdysvalloissa. Hän kertoi Fysiikan maailma  että nämä tulokset ovat sekä vaikuttavia että hämmentäviä.

"Todella ainutlaatuinen asia ei ole se, että absorboi UV-valoa, vaan hiukset näyttävät todella hyvin säteilevän infrapunaa", hän sanoo. "Joten periaatteessa saat sen UV-valon, absorboit sen ja vapautat sen infrapunaspektrissä."

Hän on kuitenkin hämmentynyt kylmän lämpötilan käyttäytymisestä, jolle tutkijat tarjoavat tietoja, mutta vain vähän selitystä: "En ymmärtänyt ollenkaan [miten] hiusten arkkitehtuuri sallii infrapunan pysymisen loukussa ihon ja ilmakehän välissä." hän sanoo "Joten ensimmäinen osa erittäin selkeä, toinen osa ei niin selkeä."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/hair-helps-keep-us-cool-in-hot-weather-infrared-study-reveals/