A haj segít megőrizni hűvösünket a melegben – derül ki az infravörös tanulmányból – a fizika világa

A haj segít megőrizni hűvösünket a melegben – derül ki az infravörös tanulmányból – a fizika világa

Időbélyeg: 29. január 2024. 12:22

Fekete haj
Meleg és hideg: az emberi haj infravörös tulajdonságait vizsgáló kutatások azt sugallják, hogy a meleg napokon segít hűvösebben tartani. (Jóvolt: Tharish/CC BY-SA 3.0)

A haj hűti a fejet meleg időben, miközben melegen tartja a fejbőrt a hidegben – derül ki egy új tanulmányból, amely az emberi haj és az infravörös sugárzás közötti kölcsönhatást vizsgálja. A kutatást dél-koreai tudósok végezték, akik abban reménykednek, hogy munkájuk új, optimalizált sugárzási tulajdonságokkal rendelkező textíliák kifejlesztését fogja inspirálni.

Annak ellenére, hogy egy tipikus ember tömegének mindössze 2%-át teszi ki, a fej a test anyagcseréje által elégetett energia körülbelül 20%-át fogyasztja el. A fej bőrhőmérséklete több mint 2°C-kal melegebb is lehet, mint máshol a testben, ezért a jó hőkezelés kulcsfontosságú – különösen akkor, ha a Nap a fejbőrre sütött.

A haj egy evolúciós adaptáció, amely megvédi a fejet a káros napsugárzástól és a hidegtől. Első pillantásra úgy tűnhet, hogy ennek a védelemnek az ára korlátozza a szervezet azon képességét, hogy a fejbőrből hőt sugározva tudja hűteni a fejét a forró napokon.

Sugárzó tulajdonságok

Most azonban Gunwoo Kim anyagtudós és munkatársai a Koreai Ipari Technológiai Intézet Yeongcheonban megkérdőjelezték ezt a nézetet a haj sugárzási tulajdonságainak vizsgálatával. Amellett, hogy betekintést nyert a haj infravörös tulajdonságaiba, a csapat azt is tanulmányozta, hogy ezek hogyan hatnak a fejbőr melegedésére és hűtésére különböző környezeti hőmérsékleteken.

A haj három radiális rétegből áll, amelyek közül a középső réteg (a kéreg) messze a legvastagabb. A kéreg összefonódó kötegekből áll, amelyek főleg keratin fehérjéből és légzsebekből állnak, amelyek a haj mechanikai tulajdonságait, például szilárdságát adják. A külső réteget kutikulának nevezik, amely több réteg vékony, lapos sejtekből áll, amelyek tetőcserepekhez hasonlóan átfedik egymást.

A napsugárzás fő elnyelője a hajban (és a bőrben) a melanin pigment. Ez egy szerves aminosav polimerje, gyűrűkkel, amelyek széles spektrumú sugárzást nyelnek el a közeli infravörös és az ultraibolya sugárzás között.

Hajmodellek

Kim csoportja azt vizsgálta, hogy a haj fizikai és kémiai tulajdonságai hogyan befolyásolják a haj elnyelőképességét (ami a Kirchoff-féle hősugárzás törvénye szerinti emissziós tényező), a reflexiós képességet és a transzmissziót különböző hullámhosszokon. Ezt matematikai modellekkel és egy helyi szalonból származó fekete hajjal (mely gazdag melaninban) végezték.

Azt találták, hogy a hajminták a beeső fény 80%-át elnyelték 1 μm-es infravörös hullámhosszon, ami a napsugárzásban a maximális intenzitású hullámhossz. A csapat olyan hajmintákat is tanulmányozott, amelyekből a melanint szőkítéssel távolították el. Ezekben a mintákban az abszorbancia 40% körül volt. A csapat megismételte a 10 μm-es infravörös fényre vonatkozó méréseit, ami nem jelentős összetevője a napfénynek. A melanin fehérítése után azt találták, hogy az abszorpció (és az emisszió) ezen a hullámhosszon 90% körül maradt. Ennek az az oka, hogy a sugárzás abszorbanciája ezen a hullámhosszon nagyrészt a melanintól eltérő molekulákban lévő kémiai kötéseknek köszönhető – olyan molekulákban, mint a keratin.

Ezután a kutatók vízbe áztatták a szőrszálakat. Azt találták, hogy az elnyelt naphullámhosszú sugárzás aránya jelentősen csökkent, míg a 10 μm-en elnyelt sugárzás aránya viszonylag változatlan maradt.

A pórusok szétszóródása

„Az emberi haj pórusai csaknem 1 μm-esek” – mondja Kim. „Ezek a pórusok nagyon specifikusak a közeli infravörös tartományban való szétszóródáshoz… A napsugárzás teljes blokkolásához nagy hosszúságú hajra van szükségünk: de ha szétszórjuk a sugárzást belülről az anyagot teljesen blokkolhatjuk a sugárzást anélkül, hogy ekkora mennyiségű anyagra lenne szükségünk.”

A pórusok és a szélek vízzel való feltöltése megakadályozta a törésmutató hirtelen változásait, és ezáltal csökkentette a szórást, amely ahhoz szükséges, hogy megnövelje a közeli infravörös sugárzás úthosszát a hajban. Hosszabb hullámhosszon azonban, amelyet az emberi test hőként bocsát ki, a hullámok nem szóródtak szét, hanem elnyelték és újra kibocsátottak. A csapat a 10 μm-es sugárzás tanulmányozását választotta, mert az egy légköri „átlátszósági ablak” közepén található. „Ezt a jelenséget sugárzásos hűtésnek nevezzük, mert könnyen ki tudjuk bocsátani ezt a sugárzást az űrbe” – mondja Kim.

A kutatók ezután terepkísérleteket végeztek. Azt találták, hogy egy hideg napon a szőrrel borított szintetikus bőrminta végül melegebb volt, mint a csupasz bőr. Egy meleg napon azonban a szőrrel borított szintetikus bőr hűvösebb maradt. A kutatók most bio-ihletésű textíliák kifejlesztésén fáradoznak az a. pontban felvázolt elvek alapján a kutatást ismertető dolgozat in A Nemzeti Tudományos Akadémia eljárása.

Luis Ruiz Pestana a nanostrukturált anyagok modellezésének szakértője az Egyesült Államokban, a Miami Egyetemen. Ő mondta Fizika Világa  hogy ezek az eredmények egyszerre lenyűgözőek és rejtélyesek.

„Az igazán egyedi dolog nem az, hogy elnyeli az UV-fényt, hanem úgy tűnik, hogy a haj nagyon jó infravörös sugárzást bocsát ki” – mondja; "Tehát alapvetően megkapja az UV-fényt, elnyeli, és kiengedi az infravörös spektrumban."

Mindazonáltal megzavarja a hideg hőmérsékleti viselkedés, amelyre a kutatók csak kevés magyarázatot adnak: „Egyáltalán nem értettem, [hogy] a haj felépítése hogyan teszi lehetővé, hogy az infravörös csapdában maradjon a bőr és a légkör között.” azt mondja: "Tehát az első rész nagyon világos, a második rész nem olyan egyértelmű."

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa