Les cheveux nous aident à rester au frais par temps chaud, révèle une étude infrarouge – Physics World

Les cheveux nous aident à rester au frais par temps chaud, révèle une étude infrarouge – Physics World

Horodatage: 29 janvier 2024 12h22

Cheveux noirs
Chaud et froid : les recherches sur les propriétés infrarouges des cheveux humains suggèrent qu'ils nous aident à rester au frais pendant les journées chaudes. (Avec l'aimable autorisation de Tharish/CC BY-SA 3.0)

Les cheveux rafraîchissent la tête par temps chaud, tout en gardant le cuir chevelu au chaud par temps froid – selon une nouvelle étude sur la façon dont les cheveux humains interagissent avec le rayonnement infrarouge. La recherche a été réalisée par des scientifiques sud-coréens qui espèrent que leurs travaux inspireront le développement de nouveaux textiles dotés de propriétés radiatives optimisées.

Bien qu'elle ne représente que 2 % de la masse d'un être humain typique, la tête consomme environ 20 % de l'énergie brûlée par le métabolisme du corps. La température de la peau de la tête peut être supérieure de 2°C à celle du reste du corps. Une bonne gestion thermique est donc cruciale, en particulier lorsque le soleil frappe le cuir chevelu.

Les cheveux sont une adaptation évolutive visant à protéger la tête à la fois du rayonnement solaire nocif et du froid. À première vue, il peut sembler que le prix de cette protection est une limite à la capacité du corps à garder la tête au frais pendant les journées chaudes en rayonnant la chaleur du cuir chevelu.

Propriétés radiatives

Aujourd'hui, cependant, le scientifique des matériaux Gunwoo Kim et ses collègues du Institut coréen de technologie industrielle à Yeongcheon ont contesté cette vision en étudiant les propriétés radiatives des cheveux. En plus d'acquérir des connaissances sur les propriétés infrarouges des cheveux, l'équipe a également étudié comment elles affectent le chauffage et le refroidissement du cuir chevelu à différentes températures ambiantes.

Les cheveux comprennent trois couches radiales dont la couche intermédiaire (le cortex) est de loin la plus épaisse. Le cortex est constitué de faisceaux entrelacés principalement constitués de protéine kératine et de poches d'air qui confèrent aux cheveux leurs propriétés mécaniques telles que leur résistance. La couche externe est appelée cuticule et comprend plusieurs couches de cellules fines et plates qui se chevauchent comme des tuiles.

Le principal absorbeur du rayonnement solaire dans les cheveux (et la peau) est le pigment mélanine. Il s'agit d'un polymère d'un acide aminé organique avec des anneaux qui absorbent un large spectre de rayonnement entre le proche infrarouge et l'ultraviolet.

Modèles de cheveux

Le groupe de Kim a étudié comment les propriétés physiques et chimiques des cheveux se combinent pour affecter leur capacité d'absorption (ce qui revient au même que leur émissivité selon la loi du rayonnement thermique de Kirchoff), leur réflectivité et leur transmission à différentes longueurs d'onde. Cela a été réalisé à l'aide de modèles mathématiques et en réalisant des expériences sur des cheveux noirs (riches en mélanine) obtenus dans un salon local.

Ils ont constaté que les échantillons de cheveux absorbaient environ 80 % de la lumière incidente à la longueur d’onde infrarouge de 1 μm, qui est la longueur d’onde d’intensité maximale du rayonnement solaire. L’équipe a également étudié des échantillons de cheveux dans lesquels la mélanine avait été éliminée par décoloration. Dans ces échantillons, l'absorbance était d'environ 40 %. L’équipe a répété ses mesures pour la lumière infrarouge à 10 μm, qui n’est pas une composante significative de la lumière solaire. Après avoir blanchi la mélanine, ils ont constaté que l’absorptivité (et l’émissivité) à cette longueur d’onde restait autour de 90 %. En effet, l’absorbance du rayonnement à cette longueur d’onde est en grande partie due aux liaisons chimiques de molécules autres que la mélanine – des molécules telles que la kératine.

Ensuite, les chercheurs ont trempé les cheveux dans l’eau. Ils ont constaté que la proportion de rayonnement solaire absorbé diminuait considérablement, alors que la proportion de rayonnement absorbé à 10 μm était relativement peu affectée.

Pores diffusants

« Les cheveux humains ont des pores qui mesurent près de 1 μm », explique Kim. « Ces pores sont très spécifiques à la diffusion dans la région proche infrarouge… Pour bloquer complètement le rayonnement solaire, nous avons besoin d'une grande longueur de cheveux : mais si nous diffusons le rayonnement à l'intérieur Avec le matériau, nous pouvons bloquer complètement le rayonnement sans avoir besoin d’un tel volume de matériau.

Le remplissage des pores et des bords avec de l'eau avait empêché les changements brusques de l'indice de réfraction et avait ainsi réduit la diffusion nécessaire pour augmenter la longueur du trajet du rayonnement proche infrarouge dans les cheveux. Cependant, à des longueurs d'onde plus longues susceptibles d'être émises par le corps humain sous forme de chaleur, les ondes n'étaient pas dispersées mais absorbées et réémises. L’équipe a choisi d’étudier le rayonnement de 10 μm car il se trouve au centre d’une « fenêtre de transparence » atmosphérique. "Nous appelons ce phénomène refroidissement radiatif car nous pouvons facilement émettre ce rayonnement vers l'espace", explique Kim.

Les chercheurs ont ensuite mené des essais sur le terrain. Ils ont découvert que, par temps froid, un échantillon de peau synthétique recouvert de poils finissait par être plus chaud que la peau nue. Par temps chaud, cependant, la peau synthétique recouverte de poils reste plus fraîche. Les chercheurs cherchent désormais à développer des textiles bio-inspirés basés sur les principes énoncés dans un article décrivant la recherche in Actes de l'Académie nationale des sciences.

Luis Ruiz Pestana est expert en modélisation de matériaux nanostructurés à l'Université de Miami aux États-Unis. Il a dit Monde de la physique  que ces résultats sont à la fois impressionnants et déroutants.

« Ce qui est vraiment unique, ce n’est pas que vous absorbez la lumière UV, mais que les cheveux semblent vraiment capables d’émettre dans l’infrarouge », dit-il ; "Donc, fondamentalement, vous obtenez cette lumière UV, vous l'absorbez et vous la libérez dans le spectre infrarouge."

Il reste cependant perplexe face au comportement à froid, pour lequel les chercheurs fournissent des données mais peu d'explications : « Je n'ai pas du tout compris [comment] l'architecture des cheveux permet aux infrarouges de rester emprisonnés entre la peau et l'atmosphère. » il dit "Donc la première partie est très claire, la deuxième partie pas si claire."

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