I capelli ci aiutano a mantenerci freschi quando fa caldo, rivela uno studio a infrarossi – Physics World

I capelli rinfrescano la testa quando fa caldo, mentre mantengono il cuoio capelluto caldo quando fa freddo – secondo un nuovo studio su come i capelli umani interagiscono con le radiazioni infrarosse. La ricerca è stata condotta da scienziati della Corea del Sud, che sperano che il loro lavoro possa ispirare lo sviluppo di nuovi tessuti con proprietà radiative ottimizzate.

Nonostante rappresenti solo il 2% della massa tipica di un essere umano, la testa consuma circa il 20% dell'energia bruciata dal metabolismo del corpo. La temperatura della pelle della testa può essere più calda di oltre 2°C rispetto ad altre parti del corpo, quindi una buona gestione termica è fondamentale, soprattutto quando il sole picchia sul cuoio capelluto.

I capelli sono un adattamento evolutivo per proteggere la testa sia dai dannosi raggi solari che dal freddo. A prima vista potrebbe sembrare che il prezzo di questa protezione sia un limite alla capacità del corpo di mantenere la testa fresca nelle giornate calde irradiando calore dal cuoio capelluto.

Proprietà radiative

Ora, tuttavia, lo scienziato dei materiali Gunwoo Kim e i suoi colleghi Istituto coreano di tecnologia industriale a Yeongcheon hanno sfidato questa visione studiando le proprietà radiative dei capelli. Oltre ad acquisire conoscenze sulle proprietà degli infrarossi dei capelli, il team ha anche studiato come influenzano il riscaldamento e il raffreddamento del cuoio capelluto a varie temperature ambientali.

I capelli sono costituiti da tre strati radiali di cui lo strato intermedio (la corteccia) è di gran lunga il più spesso. La corteccia è costituita da fasci intrecciati costituiti principalmente dalla proteina cheratina e da sacche d'aria che conferiscono ai capelli le sue proprietà meccaniche come la sua resistenza. Lo strato esterno è chiamato cuticola, che comprende più strati di cellule sottili e piatte sovrapposte come tegole.

Il principale assorbitore della radiazione solare nei capelli (e nella pelle) è il pigmento melanina. Si tratta di un polimero di un amminoacido organico con anelli che assorbono un ampio spettro di radiazioni tra il vicino infrarosso e l'ultravioletto.

Modelli di capelli

Il gruppo di Kim ha studiato come le proprietà fisiche e chimiche dei capelli si combinano per influenzare la loro capacità di assorbimento (che è la stessa cosa è la loro emissività secondo la legge di Kirchoff sulla radiazione termica), riflettività e trasmissione a diverse lunghezze d'onda. Ciò è stato fatto utilizzando modelli matematici e facendo esperimenti su capelli neri (ricchi di melanina) ottenuti da un salone locale.

Hanno scoperto che i campioni di capelli hanno assorbito circa l’80% della luce incidente alla lunghezza d’onda dell’infrarosso di 1 μm, che è la lunghezza d’onda di massima intensità nella radiazione solare. Il team ha anche studiato campioni di capelli in cui la melanina era stata rimossa mediante decolorazione. In questi campioni l'assorbanza era intorno al 40%. Il team ha ripetuto le misurazioni per la luce infrarossa a 10 μm, che non è una componente significativa della luce solare. Dopo lo sbiancamento della melanina hanno scoperto che l'assorbenza (e l'emissività) a questa lunghezza d'onda rimaneva intorno al 90%. Questo perché l’assorbimento della radiazione a questa lunghezza d’onda è in gran parte dovuto ai legami chimici in molecole diverse dalla melanina – molecole come la cheratina.

Successivamente, i ricercatori hanno immerso i peli nell’acqua. Hanno scoperto che la percentuale di radiazione assorbita alla lunghezza d’onda solare è diminuita in modo significativo, mentre la percentuale di radiazione assorbita a 10 μm è rimasta relativamente inalterata.

Pori dispersi

“I capelli umani hanno pori che sono quasi 1 μm”, dice Kim, “Quei pori sono molto specifici per la diffusione nella regione del vicino infrarosso… Per bloccare completamente la radiazione solare abbiamo bisogno di una grande lunghezza di capelli: ma se disperdiamo la radiazione all’interno il materiale possiamo bloccare completamente la radiazione senza bisogno di un tale volume di materiale.”

Riempire i pori e i bordi con acqua aveva impedito i bruschi cambiamenti nell’indice di rifrazione e quindi ridotto la dispersione necessaria per aumentare la lunghezza del percorso della radiazione nel vicino infrarosso nei capelli. A lunghezze d'onda maggiori che potrebbero essere emesse dal corpo umano sotto forma di calore, tuttavia, le onde non venivano disperse ma assorbite e riemesse. Il team ha scelto di studiare la radiazione da 10 μm perché si trova al centro di una “finestra di trasparenza” atmosferica. "Chiamiamo questo fenomeno raffreddamento radiativo perché possiamo emettere facilmente questa radiazione nello spazio", afferma Kim.

La pelliccia dell'orso polare ispira i tessuti solari termici

I ricercatori hanno poi condotto prove sul campo. Hanno scoperto che, in una giornata fredda, un campione di pelle sintetica ricoperta di peli risultava essere più caldo della pelle nuda. In una giornata calda, tuttavia, la pelle sintetica ricoperta di peli rimaneva più fresca. I ricercatori stanno ora cercando di sviluppare tessuti di ispirazione biologica basati sui principi delineati in a articolo che descrive la ricerca in Atti della National Academy of Sciences.

Luis Ruiz Pestana è un esperto nella modellazione di materiali nanostrutturati presso l'Università di Miami negli Stati Uniti. Disse Mondo della fisica  che questi risultati sono allo stesso tempo impressionanti e sconcertanti.

"La cosa davvero unica non è che assorba la luce UV, ma che i capelli sembrano essere davvero bravi a emettere raggi infrarossi", dice; "Quindi, in pratica, ottieni quella luce UV, la assorbi e la rilasci nello spettro infrarosso."

Tuttavia è perplesso riguardo al comportamento del freddo, per il quale i ricercatori forniscono dati ma poche spiegazioni: "Non ho capito affatto [come] l'architettura dei capelli permetta agli infrarossi di rimanere intrappolati tra la pelle e l'atmosfera." dice "Quindi la prima parte è molto chiara, la seconda parte non è così chiara."

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/hair-helps-keep-us-cool-in-hot-weather-infrared-study-reveals/