Rambut membantu kita tetap sejuk dalam cuaca panas, ungkap studi inframerah – Physics World

Rambut membantu kita tetap sejuk dalam cuaca panas, ungkap studi inframerah – Physics World

Stempel Waktu: 29 Januari 2024 12:22

Rambut hitam
Panas dan dingin: penelitian terhadap sifat inframerah pada rambut manusia menunjukkan bahwa hal ini membantu kita tetap sejuk di hari yang hangat. (Sumber: Tharish/CC BY-SA 3.0)

Rambut mendinginkan kepala saat cuaca panas, sekaligus menjaga kulit kepala tetap hangat saat cuaca dingin – menurut sebuah studi baru tentang bagaimana rambut manusia berinteraksi dengan radiasi infra merah. Penelitian ini dilakukan oleh para ilmuwan di Korea Selatan, yang berharap penelitian mereka akan menginspirasi pengembangan tekstil baru dengan sifat radiasi yang dioptimalkan.

Meskipun hanya menyumbang 2% dari massa manusia pada umumnya, kepala mengkonsumsi sekitar 20% energi yang dibakar oleh metabolisme tubuh. Suhu kulit kepala bisa lebih hangat 2°C dibandingkan bagian tubuh lainnya, oleh karena itu pengelolaan suhu yang baik sangatlah penting – terutama saat sinar matahari terik di kulit kepala.

Rambut adalah adaptasi evolusioner untuk melindungi kepala dari radiasi matahari dan dingin yang merusak. Sepintas mungkin tampak bahwa harga dari perlindungan ini adalah batas kemampuan tubuh untuk menjaga kepala tetap sejuk di hari yang panas dengan memancarkan panas dari kulit kepala.

Sifat radiasi

Namun sekarang, ilmuwan material Gunwoo Kim dan rekannya di Institut Teknologi Industri Korea di Yeongcheon menantang pandangan ini dengan menyelidiki sifat radiasi rambut. Selain mendapatkan wawasan tentang sifat inframerah rambut, tim juga mempelajari bagaimana pengaruhnya terhadap pemanasan dan pendinginan kulit kepala pada berbagai suhu lingkungan.

Rambut terdiri dari tiga lapisan radial dengan lapisan tengah (korteks) yang paling tebal. Korteks terdiri dari kumpulan jalinan yang sebagian besar terbuat dari protein keratin dan kantong udara yang memberikan sifat mekanik pada rambut seperti kekuatannya. Lapisan luar disebut kutikula, yang terdiri dari beberapa lapisan sel tipis dan datar yang saling tumpang tindih seperti genteng.

Penyerap utama radiasi matahari pada rambut (dan kulit) adalah pigmen melanin. Ini adalah polimer asam amino organik dengan cincin yang menyerap spektrum radiasi luas antara inframerah-dekat dan ultraviolet.

Model rambut

Kelompok Kim menyelidiki bagaimana sifat fisik dan kimia rambut digabungkan untuk mempengaruhi daya serapnya (yang sama dengan emisivitasnya menurut hukum radiasi termal Kirchoff), reflektifitas, dan transmisi pada panjang gelombang yang berbeda. Hal ini dilakukan dengan menggunakan model matematika dan dengan melakukan eksperimen pada rambut hitam (yang kaya akan melanin) yang diperoleh dari salon setempat.

Mereka menemukan bahwa sampel rambut menyerap sekitar 80% cahaya yang datang pada panjang gelombang inframerah 1 μm, yang merupakan panjang gelombang intensitas maksimum sinar matahari. Tim juga mempelajari sampel rambut yang melaninnya telah dihilangkan melalui pemutihan. Dalam sampel ini, serapannya sekitar 40%. Tim mengulangi pengukurannya untuk cahaya inframerah pada 10 μm, yang bukan merupakan komponen penting dari sinar matahari. Setelah pemutihan melanin, mereka menemukan bahwa daya serap (dan emisivitas) pada panjang gelombang ini tetap sekitar 90%. Hal ini karena penyerapan radiasi pada panjang gelombang ini sebagian besar disebabkan oleh ikatan kimia pada molekul selain melanin – molekul seperti keratin.

Selanjutnya, peneliti merendam rambut tersebut dalam air. Mereka menemukan bahwa proporsi radiasi panjang gelombang matahari yang diserap turun secara signifikan, sedangkan proporsi radiasi yang diserap pada 10 μm relatif tidak terpengaruh.

Menyebarkan pori-pori

“Rambut manusia memiliki pori-pori yang berukuran hampir 1 μm,” kata Kim, “Pori-pori tersebut sangat spesifik untuk menyebar di wilayah inframerah-dekat… Untuk sepenuhnya memblokir radiasi matahari kita memerlukan rambut yang panjang: namun jika kita menyebarkan radiasi di dalamnya material yang kita dapat sepenuhnya memblokir radiasi tanpa memerlukan material sebanyak itu.”

Mengisi pori-pori dan tepian dengan air telah mencegah perubahan indeks bias secara tiba-tiba dan dengan demikian mengurangi hamburan yang diperlukan untuk meningkatkan panjang jalur radiasi inframerah-dekat pada rambut. Namun, pada panjang gelombang yang lebih panjang kemungkinan besar akan dipancarkan oleh tubuh manusia sebagai panas, gelombang tersebut tidak dihamburkan melainkan diserap dan dipancarkan kembali. Tim memilih untuk mempelajari radiasi 10 μm karena radiasi tersebut berada di tengah “jendela transparansi” atmosfer. “Kami menyebut fenomena ini pendinginan radiasi karena kami dapat dengan mudah memancarkan radiasi ini ke luar angkasa,” kata Kim.

Para peneliti kemudian melakukan uji coba lapangan. Mereka menemukan bahwa, pada hari yang dingin, sampel kulit sintetis yang ditutupi rambut ternyata lebih hangat dibandingkan kulit telanjang. Namun, pada hari yang hangat, kulit sintetis yang ditutupi rambut tetap lebih sejuk. Para peneliti sekarang berupaya mengembangkan tekstil yang terinspirasi dari bio berdasarkan prinsip-prinsip yang diuraikan dalam a makalah yang menjelaskan penelitian tersebut in Prosiding Akademi Sains Nasional.

Luis Ruiz Pestana adalah pakar dalam pemodelan material berstruktur nano di University of Miami di AS. Dia bilang Dunia Fisika  bahwa hasil ini mengesankan sekaligus membingungkan.

“Hal yang benar-benar unik bukanlah Anda menyerap sinar UV, namun rambut tampaknya sangat bagus dalam memancarkan sinar inframerah,” katanya; “Jadi pada dasarnya Anda mendapatkan sinar UV, menyerapnya, dan melepaskannya dalam spektrum inframerah.”

Namun, ia bingung dengan perilaku suhu dingin, sehingga para peneliti hanya memberikan sedikit data dan penjelasan: “Saya tidak mengerti sama sekali [bagaimana] arsitektur rambut memungkinkan inframerah tetap terperangkap di antara kulit dan atmosfer,” dia berkata, “Jadi bagian pertama sangat jelas, bagian kedua tidak begitu jelas.”

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika