Badania podczerwone pokazują, że włosy pomagają nam zachować chłód w czasie upałów – Physics World

Badania podczerwone pokazują, że włosy pomagają nam zachować chłód w czasie upałów – Physics World

Znacznik czasu: 29 stycznia 2024 12:22

Czarne włosy
Gorąco i zimno: badania nad właściwościami podczerwieni ludzkich włosów sugerują, że pomaga ona zachować chłód w ciepłe dni. (Dzięki uprzejmości: Tharish/CC BY-SA 3.0)

Włosy chłodzą głowę w czasie upałów, a jednocześnie utrzymują ciepło skóry głowy w zimnie – wynika z nowego badania dotyczącego interakcji ludzkich włosów z promieniowaniem podczerwonym. Badania przeprowadzili naukowcy z Korei Południowej, którzy mają nadzieję, że ich praca zainspiruje rozwój nowych tekstyliów o zoptymalizowanych właściwościach radiacyjnych.

Głowa, choć stanowi zaledwie 2% masy typowego człowieka, zużywa około 20% energii spalanej w procesie metabolizmu organizmu. Temperatura skóry głowy może być o ponad 2°C wyższa niż w innych częściach ciała, dlatego też dobre zarządzanie temperaturą ma kluczowe znaczenie – zwłaszcza gdy słońce pada na skórę głowy.

Włosy są ewolucyjną adaptacją mającą chronić głowę zarówno przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym, jak i zimnem. Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że cena tej ochrony stanowi ograniczenie możliwości organizmu do chłodzenia głowy w upalne dni poprzez promieniowanie ciepła ze skóry głowy.

Właściwości radiacyjne

Teraz jednak materiałoznawca Gunwoo Kim i współpracownicy z Koreański Instytut Technologii Przemysłowej w Yeongcheon podważyli ten pogląd, badając właściwości radiacyjne włosów. Oprócz uzyskania wglądu w właściwości podczerwieni włosów, zespół zbadał także, w jaki sposób wpływają one na ogrzewanie i chłodzenie skóry głowy w różnych temperaturach otoczenia.

Włosy składają się z trzech promienistych warstw, z których środkowa (kora) jest zdecydowanie najgrubsza. Kora składa się ze splecionych wiązek zbudowanych głównie z białka keratyny i kieszeni powietrznych, które nadają włosom właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość. Zewnętrzna warstwa nazywana jest kutykulą i składa się z wielu warstw cienkich, płaskich komórek zachodzących na siebie jak dachówki.

Głównym pochłaniaczem promieniowania słonecznego we włosach (i skórze) jest melanina pigmentowa. Jest to polimer aminokwasu organicznego z pierścieniami pochłaniającymi szerokie spektrum promieniowania od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu.

Modele włosów

Grupa Kima zbadała, w jaki sposób właściwości fizyczne i chemiczne włosów wpływają na ich absorpcję (co jest tym samym, co emisyjność zgodnie z prawem Kirchoffa dotyczącym promieniowania cieplnego), współczynnik odbicia i przepuszczalność przy różnych długościach fal. Dokonano tego za pomocą modeli matematycznych i przeprowadzając eksperymenty na czarnych włosach (bogatych w melaninę) uzyskanych z lokalnego salonu.

Odkryli, że próbki włosów pochłonęły około 80% padającego światła o długości fali podczerwonej wynoszącej 1 μm, która jest długością fali o maksymalnej intensywności promieniowania słonecznego. Zespół zbadał także próbki włosów, z których usunięto melaninę w procesie wybielania. W tych próbkach absorbancja wynosiła około 40%. Zespół powtórzył pomiary dla światła podczerwonego o długości fali 10 μm, które nie jest znaczącym składnikiem światła słonecznego. Po wybieleniu melaniny odkryli, że absorpcja (i emisyjność) przy tej długości fali utrzymuje się na poziomie około 90%. Dzieje się tak, ponieważ absorbancja promieniowania o tej długości fali wynika w dużej mierze z wiązań chemicznych w cząsteczkach innych niż melanina – cząsteczkach takich jak keratyna.

Następnie badacze moczyli włosy w wodzie. Odkryli, że odsetek pochłoniętego promieniowania o długości fali słonecznej znacznie spadł, podczas gdy odsetek promieniowania pochłoniętego przy długości fali 10 μm pozostał stosunkowo niezmieniony.

Rozpraszanie porów

„Ludzkie włosy mają pory o średnicy prawie 1 μm” – mówi Kim. „Te pory są bardzo specyficzne pod względem rozpraszania w obszarze bliskiej podczerwieni… Aby całkowicie zablokować promieniowanie słoneczne, potrzebujemy włosów o dużej długości: ale jeśli rozproszymy promieniowanie wewnątrz materiału, możemy całkowicie zablokować promieniowanie bez konieczności stosowania takiej ilości materiału.”

Wypełnienie porów i krawędzi wodą zapobiegło nagłym zmianom współczynnika załamania światła, a tym samym zmniejszyło rozproszenie niezbędne do zwiększenia długości ścieżki promieniowania bliskiej podczerwieni we włosach. Jednakże przy dłuższych falach, które organizm ludzki prawdopodobnie emituje w postaci ciepła, fale nie są rozpraszane, lecz pochłaniane i ponownie emitowane. Zespół zdecydował się zbadać promieniowanie o długości 10 μm, ponieważ znajduje się ono w środku atmosferycznego „okna przezroczystości”. „Nazywamy to zjawisko chłodzeniem radiacyjnym, ponieważ możemy łatwo wyemitować to promieniowanie w przestrzeń kosmiczną” – mówi Kim.

Następnie badacze przeprowadzili próby terenowe. Odkryli, że w zimny dzień próbka syntetycznej skóry pokrytej włosami okazała się cieplejsza niż naga skóra. Jednak w ciepły dzień pokryta włosami syntetyczna skóra pozostawała chłodniejsza. Naukowcy pracują obecnie nad opracowaniem tekstyliów inspirowanych biologią w oparciu o zasady przedstawione w a dokument opisujący badania in Materiały z Narodowej Akademii Nauk.

Luisa Ruiza Pestany jest ekspertem w zakresie modelowania materiałów nanostrukturalnych na Uniwersytecie w Miami w USA. Powiedział Świat Fizyki  że wyniki te są zarówno imponujące, jak i zagadkowe.

„Naprawdę wyjątkową rzeczą nie jest to, że pochłaniasz światło UV, ale to, że włosy wydają się naprawdę dobrze emitować podczerwień” – mówi; „Zasadniczo dostajesz światło UV, pochłaniasz je i uwalniasz w widmie podczerwonym”.

Jest jednak zakłopotany zachowaniem w niskiej temperaturze, dla którego naukowcy dostarczają danych, ale niewiele wyjaśnień: „W ogóle nie rozumiałem, [w jaki sposób] architektura włosów pozwala, aby podczerwień pozostawała uwięziona między skórą a atmosferą” mówi: „Więc pierwsza część jest bardzo jasna, druga część nie jest tak jasna”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki