Hår hjelper til med å holde oss kjølige i varmt vær, viser infrarød studie – Physics World

Hår avkjøler hodet i varmt vær, samtidig som det holder hodebunnen varm i kulden – ifølge en ny studie av hvordan menneskehår samhandler med infrarød stråling. Forskningen ble gjort av forskere i Sør-Korea, som håper deres arbeid vil inspirere til utvikling av nye tekstiler med optimaliserte strålingsegenskaper.

Til tross for at det bare står for 2 % av et typisk menneskes masse, bruker hodet omtrent 20 % av energien som forbrennes av kroppens metabolisme. Hodets hudtemperatur kan være over 2°C varmere enn andre steder i kroppen, så god varmebehandling er derfor avgjørende – spesielt når solen slår ned i hodebunnen.

Hår er en evolusjonær tilpasning for å beskytte hodet mot både skadelig solstråling og kulde. Ved første øyekast kan det virke som om prisen på denne beskyttelsen er en grense for kroppens evne til å holde hodet kaldt på varme dager ved å utstråle varme fra hodebunnen.

Radiative egenskaper

Nå har imidlertid materialviteren Gunwoo Kim og kolleger ved Korea Institute of Industrial Technology i Yeongcheon har utfordret dette synet ved å undersøke hårets strålende egenskaper. I tillegg til å få innsikt i hårets infrarøde egenskaper, har teamet også studert hvordan de påvirker oppvarming og avkjøling av hodebunnen ved ulike omgivelsestemperaturer.

Hår består av tre radielle lag, hvorav det midterste laget (barken) er det desidert tykkeste. Cortex består av sammenflettede bunter hovedsakelig laget av proteinet keratin og luftlommer som gir håret dets mekaniske egenskaper som dets styrke. Det ytre laget kalles kutikula, som består av flere lag med tynne, flate celler som overlapper som takstein.

Den viktigste absorberen av solstråling i hår (og hud) er pigmentet melanin. Dette er polymer av en organisk aminosyre med ringer som absorberer et bredt spekter av stråling mellom det nær-infrarøde og det ultrafiolette.

Hårmodeller

Kims gruppe undersøkte hvordan de fysiske og kjemiske egenskapene til håret kombineres for å påvirke dets absorpsjonsevne (som er det samme som dets emissivitet i henhold til Kirchoffs lov om termisk stråling), reflektivitet og transmisjon ved forskjellige bølgelengder. Dette ble gjort ved hjelp av matematiske modeller og ved å gjøre eksperimenter på svart hår (som er rikt på melanin) hentet fra en lokal salong.

De fant at hårprøvene absorberte rundt 80 % av innfallende lys ved den infrarøde bølgelengden på 1 μm, som er den maksimale intensitetsbølgelengden i solstråling. Teamet studerte også hårprøver der melaninet ble fjernet ved bleking. I disse prøvene var absorbansen rundt 40 %. Teamet gjentok målingene for infrarødt lys ved 10 μm, som ikke er en betydelig komponent av sollys. Etter bleking av melanin fant de at absorpsjonsevnen (og emissiviteten) ved denne bølgelengden holdt seg rundt 90 %. Dette er fordi absorbansen av stråling ved denne bølgelengden i stor grad skyldes kjemiske bindinger i andre molekyler enn melanin - molekyler som keratin.

Deretter dynket forskerne hårene i vann. De fant at andelen absorbert solbølgelengdestråling falt betydelig, mens andelen stråling absorbert ved 10 μm var relativt upåvirket.

Spredning av porer

"Menneskehår har porer som er nesten 1 μm," sier Kim, "Disse porene er veldig spesifikke for spredning i det nær-infrarøde området ... For å blokkere solstråling fullstendig trenger vi en stor lengde hår: men hvis vi sprer strålingen inne i materialet kan vi fullstendig blokkere strålingen uten å trenge et slikt volum av materiale."

Fylling av porene og kantene med vann hadde forhindret de brå endringene i brytningsindeksen og dermed redusert spredningen som var nødvendig for å øke banelengden til nær-infrarød stråling i håret. Ved lengre bølgelengder som sannsynligvis ble sendt ut av menneskekroppen som varme, ble bølgene imidlertid ikke spredt, men absorbert og sendt ut på nytt. Teamet valgte å studere 10 μm stråling fordi det er i sentrum av et atmosfærisk "gjennomsiktighetsvindu". "Vi kaller dette fenomenet strålingskjøling fordi vi enkelt kan sende ut denne strålingen til verdensrommet," sier Kim.

Isbjørnpels inspirerer solvarmetekstiler

Deretter gjennomførte forskerne feltforsøk. De fant at på en kald dag endte en prøve av syntetisk hud dekket med hår opp med å være varmere enn den nakne huden. På en varm dag forble imidlertid hårdekket syntetisk hud kjøligere. Forskerne er nå ute etter å utvikle bio-inspirerte tekstiler basert på prinsippene skissert i en papir som beskriver forskningen in Prosedyrene ved det nasjonale vitenskapsakademiet.

Luis Ruiz Pestana er ekspert på modellering av nanostrukturerte materialer ved University of Miami i USA. Han fortalte Fysikkens verden  at disse resultatene er både imponerende og forvirrende.

"Det virkelig unike er ikke at du absorberer UV-lys, men at håret ser ut til å være veldig bra til å sende ut i det infrarøde," sier han; "Så i utgangspunktet får du det UV-lyset, du absorberer det, og du slipper det ut i det infrarøde spekteret."

Imidlertid er han forvirret over atferden med kalde temperaturer, som forskerne gir data for, men lite forklaring: "Jeg forsto ikke i det hele tatt [hvordan] arkitekturen til håret lar det infrarøde forbli fanget mellom huden og atmosfæren." han sier "Så første del veldig tydelig, andre del ikke så tydelig."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/hair-helps-keep-us-cool-in-hot-weather-infrared-study-reveals/