머리카락은 더운 날씨에 시원함을 유지하는 데 도움이 된다는 적외선 연구 결과 – Physics World

인간의 머리카락이 적외선과 어떻게 상호 작용하는지에 대한 새로운 연구에 따르면, 머리카락은 더운 날씨에 머리를 식히고 추운 날씨에는 두피를 따뜻하게 유지합니다. 이 연구는 최적화된 방사 특성을 지닌 새로운 직물 개발에 영감을 주기를 희망하는 한국의 과학자들에 의해 수행되었습니다.

머리는 일반적인 인간 질량의 2%에 불과하지만 신체의 신진대사로 소모되는 에너지의 약 20%를 소비합니다. 머리의 피부 온도는 신체의 다른 부분보다 2°C 이상 높을 수 있으므로 적절한 열 관리가 중요합니다. 특히 태양이 두피에 내리쬐는 경우에는 더욱 그렇습니다.

머리카락은 해로운 태양 복사열과 추위로부터 머리를 보호하기 위한 진화적 적응입니다. 언뜻 보기에 이 보호 장치의 가격은 두피에서 열을 방출하여 더운 날 머리를 시원하게 유지하는 신체 능력의 한계인 것처럼 보일 수 있습니다.

방사성 특성

그러나 이제 재료과학자 김건우와 동료들은 한국생산기술연구원 영천의 연구진은 모발의 방사 특성을 조사하여 이러한 견해에 도전했습니다. 연구팀은 모발의 적외선 특성에 대한 통찰력을 얻었을 뿐만 아니라 다양한 주변 온도에서 이것이 두피의 가열 및 냉각에 어떻게 영향을 미치는지 연구했습니다.

모발은 3개의 방사형 층으로 구성되며, 그 중 중간 층(피질)이 가장 두껍습니다. 피질은 주로 단백질 케라틴과 머리카락에 힘과 같은 기계적 특성을 부여하는 공기 주머니로 구성된 얽힌 묶음으로 구성됩니다. 바깥층은 큐티클이라고 불리며 지붕 타일처럼 겹쳐진 얇고 평평한 세포의 여러 층으로 구성됩니다.

모발(및 피부)에서 태양 복사의 주요 흡수제는 멜라닌 색소입니다. 이것은 근적외선과 자외선 사이의 넓은 스펙트럼의 방사선을 흡수하는 고리를 가진 유기 아미노산의 중합체입니다.

헤어 모델

Kim의 그룹은 모발의 물리적 및 화학적 특성이 어떻게 결합하여 흡수율(키르호프의 열복사 법칙에 따른 방사율과 동일), 반사율 및 다양한 파장에서의 투과율에 영향을 미치는지 조사했습니다. 이는 수학적 모델을 사용하고 지역 미용실에서 얻은 검은 머리카락(멜라닌이 풍부한 머리카락)에 대한 실험을 통해 수행되었습니다.

그들은 모발 샘플이 태양 복사의 최대 강도 파장인 80μm의 적외선 파장에서 입사광의 약 1%를 흡수한다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 또한 탈색을 통해 멜라닌이 제거된 모발 샘플을 연구했습니다. 이 샘플의 흡광도는 약 40%였습니다. 연구팀은 햇빛의 중요한 구성 요소가 아닌 10μm의 적외선에 대한 측정을 반복했습니다. 멜라닌을 표백한 후 그들은 이 파장의 흡수율(및 방사율)이 약 90%로 유지된다는 사실을 발견했습니다. 이는 이 파장에서 방사선의 흡광도가 주로 멜라닌 이외의 분자, 즉 케라틴과 같은 분자의 화학적 결합으로 인해 발생하기 때문입니다.

다음으로 연구진은 머리카락을 물에 담갔다. 그들은 흡수된 태양파장 방사선의 비율이 크게 감소한 반면, 10μm에서 흡수된 방사선의 비율은 상대적으로 영향을 받지 않는다는 것을 발견했습니다.

흩어지는 모공

"사람의 머리카락에는 거의 1μm에 달하는 모공이 있습니다. 이러한 모공은 근적외선 영역에서 산란하는 데 매우 특이합니다. 태양 복사선을 완전히 차단하려면 긴 길이의 머리카락이 필요합니다. 하지만 복사선을 내부로 산란시키는 경우 그렇게 많은 양의 재료가 필요 없이 방사선을 완전히 차단할 수 있는 재료입니다.”

모공과 가장자리를 물로 채우면 굴절률의 급격한 변화가 방지되어 모발 내 근적외선의 경로 길이를 늘리는 데 필요한 산란이 줄어듭니다. 그러나 인체에서 열로 방출될 가능성이 높은 더 긴 파장에서는 파동이 산란되지 않고 흡수되어 다시 방출됩니다. 팀은 대기의 "투명창"의 중심에 있기 때문에 10μm 방사선을 연구하기로 결정했습니다. “우리는 이 방사선을 우주로 쉽게 방출할 수 있기 때문에 이 현상을 복사 냉각이라고 부릅니다.”라고 Kim은 말합니다.

태양열 직물에 영감을 주는 북극곰 모피

그런 다음 연구자들은 현장 시험을 실시했습니다. 그들은 추운 날 머리카락으로 덮인 합성 피부 샘플이 맨살보다 더 따뜻하다는 것을 발견했습니다. 그러나 따뜻한 날에는 머리카락으로 뒤덮인 합성 피부가 더 시원하게 유지되었습니다. 연구원들은 현재 연구를 설명하는 논문 in 국립 과학 아카데미 회보.

루이스 루이스 페스타나 그는 미국 마이애미 대학교의 나노구조 재료 모델링 전문가입니다. 그는 말했다 물리 세계  이러한 결과는 인상적이고 수수께끼입니다.

“정말 독특한 점은 자외선을 흡수한다는 점은 아니지만 그 머리카락은 적외선 방출에 매우 능숙한 것 같습니다.”라고 그는 말합니다. "그래서 기본적으로 UV 광선을 얻고, 흡수하고, 적외선 스펙트럼으로 방출합니다."

그러나 그는 연구자들이 데이터를 제공하지만 설명이 거의 없는 추운 온도 행동에 당황했습니다. "나는 머리카락의 구조가 적외선이 피부와 대기 사이에 갇히게 하는 방식을 전혀 이해하지 못했습니다." 그는 "첫 번째 부분은 매우 명확하지만 두 번째 부분은 그다지 명확하지 않습니다."라고 말합니다.

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