髪の毛は暑い気候でも涼しさを保つのに役立つ、赤外線研究が明らかに – Physics World

人間の毛髪が赤外線とどのように相互作用するかについての新しい研究によると、暑い時には髪が頭を冷やし、寒い時には頭皮を暖かく保ちます。この研究は韓国の科学者らによって行われ、彼らの研究が最適化された放射特性を備えた新しい繊維の開発に刺激を与えることを期待している。

頭部は典型的な人間の質量のわずか 2% しか占めていないにもかかわらず、体の代謝によって燃焼されるエネルギーの約 20% を消費します。頭の皮膚温度は体の他の部分よりも 2°C 以上高い場合があるため、特に太陽が頭皮に降り注ぐ場合には、適切な熱管理が重要です。

髪の毛は、有害な太陽光線と寒さの両方から頭を守るために進化的に適応したものです。一見すると、この保護の代償として、暑い日に頭皮から熱を放射して頭を涼しく保つ体の能力が制限されるように思えるかもしれません。

放射特性

しかし現在、材料科学者のキム・ゴヌ氏と研究チームの同僚たちは、 韓国産業技術研究院 永川市の研究者らは、毛髪の放射特性を調査することでこの見解に異議を唱えた。研究チームは、毛髪の赤外線特性についての洞察を得るだけでなく、赤外線がさまざまな周囲温度で頭皮の加熱と冷却にどのような影響を与えるかを研究しました。

毛髪は放射状の 3 つの層で構成されており、その中間層 (皮質) が最も厚いです。コルテックスは、主にタンパク質ケラチンで構成される絡み合った束と、毛髪に強度などの機械的特性を与えるエアポケットで構成されています。外層はキューティクルと呼ばれ、屋根瓦のように薄く平らな細胞が複数層重なって構成されています。

髪（および皮膚）における太陽放射の主な吸収体はメラニン色素です。これは、近赤外線と紫外線の間の広いスペクトルの放射線を吸収する環を持つ有機アミノ酸のポリマーです。

ヘアモデル

キム氏のグループは、毛髪の物理的および化学的特性がどのように組み合わさって、さまざまな波長での吸収率（キルヒホフの熱放射の法則による放射率も同じこと）、反射率、透過率に影響を与えるかを調査した。これは、数学的モデルを使用し、地元のサロンから入手した黒髪 (メラニンが豊富) で実験を行うことによって行われました。

彼らは、毛髪サンプルが、太陽放射の最大強度波長である 80 μm の赤外線波長で入射光の約 1% を吸収することを発見しました。研究チームは、漂白によってメラニンが除去された毛髪サンプルも研究した。これらのサンプルでは、​​吸光度は約 40% でした。研究チームは、太陽光の重要な成分ではない 10 μm の赤外線の測定を繰り返しました。メラニンを漂白した後、この波長での吸収率 (および放射率) が約 90% のままであることがわかりました。これは、この波長での放射線の吸収は主に、メラニン以外の分子（ケラチンなどの分子）の化学結合によるものであるためです。

次に研究者らは毛髪を水に浸した。彼らは、吸収される太陽の波長の放射線の割合が大幅に低下する一方、10 μm で吸収される放射線の割合は比較的影響を受けないことを発見しました。

散在毛穴

「人間の毛髪には、ほぼ 1 μm の細孔があります。これらの細孔は、近赤外線領域の散乱に非常に特異的です…太陽放射を完全に遮断するには、長い毛髪が必要です。しかし、内部で放射線を散乱させると、この材料を使えば、それほど大量の材料を必要とせずに放射線を完全に遮断することができます。」

細孔とエッジを水で満たすことにより、屈折率の急激な変化が防止され、それによって毛髪内の近赤外線の経路長を増加させるのに必要な散乱が減少した。しかし、人体から熱として放射される可能性が高いより長い波長では、波は散乱されずに吸収され、再放射されます。研究チームは、大気の「透明窓」の中心にあるため、10μmの放射線を研究することを選択した。 「私たちはこの現象を放射冷却と呼んでいます。なぜなら、この放射線は宇宙に簡単に放出できるからです」とキム氏は言います。

ホッキョクグマの毛皮から着想を得た太陽熱テキスタイル

その後、研究者らは実地試験を実施した。研究者らは、寒い日に、毛で覆われた合成皮膚のサンプルが素肌よりも温かくなることがわかりました。しかし、暖かい日には、毛で覆われた人工皮膚は涼しいままでした。研究者らは現在、生物由来の繊維の開発を目指しています。 研究を説明した論文 in 国立科学アカデミー講演論文集。

ルイス・ルイス・ペスターナ 米国のマイアミ大学のナノ構造材料モデリングの専門家です。彼が言った 物理学の世界  これらの結果は印象的であると同時に不可解であることを。

「本当にユニークなのは、紫外線を吸収するということではなく、髪の毛が赤外線を放射するのが得意であるようだということです」と彼は言います。 「基本的には、紫外線を受け取り、吸収し、赤外線スペクトルで放出します。」

しかし、研究者らはデータを提供しているものの、ほとんど説明がなされていない低温での挙動に当惑している。「髪の毛の構造が、皮膚と大気の間に赤外線を閉じ込めておく仕組みが全く理解できなかった」彼は「最初の部分は非常に明確ですが、2 番目の部分はそれほど明確ではありません。」

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