O cabelo ajuda a nos manter frescos em climas quentes, revela estudo infravermelho

O cabelo esfria a cabeça em climas quentes, enquanto mantém o couro cabeludo aquecido no frio – de acordo com um novo estudo sobre como o cabelo humano interage com a radiação infravermelha. A investigação foi realizada por cientistas da Coreia do Sul, que esperam que o seu trabalho inspire o desenvolvimento de novos têxteis com propriedades radiativas otimizadas.

Apesar de representar apenas 2% da massa humana típica, a cabeça consome cerca de 20% da energia queimada pelo metabolismo do corpo. A temperatura da pele da cabeça pode ser mais de 2°C mais quente do que em qualquer outra parte do corpo, pelo que uma boa gestão térmica é crucial – especialmente quando o Sol atinge o couro cabeludo.

O cabelo é uma adaptação evolutiva para proteger a cabeça tanto da radiação solar prejudicial quanto do frio. À primeira vista pode parecer que o preço desta protecção é um limite à capacidade do corpo de manter a cabeça fresca em dias quentes, irradiando calor do couro cabeludo.

Propriedades radiativas

Agora, porém, o cientista de materiais Gunwoo Kim e colegas da Instituto Coreano de Tecnologia Industrial em Yeongcheon desafiaram esta visão investigando as propriedades radiativas do cabelo. Além de obter informações sobre as propriedades infravermelhas do cabelo, a equipe também estudou como elas afetam o aquecimento e o resfriamento do couro cabeludo em diversas temperaturas ambientes.

O cabelo compreende três camadas radiais, das quais a camada intermediária (o córtex) é de longe a mais espessa. O córtex consiste em feixes entrelaçados feitos principalmente de proteína queratina e bolsas de ar que conferem ao cabelo suas propriedades mecânicas, como resistência. A camada externa é chamada cutícula, que compreende múltiplas camadas de células finas e planas sobrepostas como telhas.

O principal absorvedor da radiação solar no cabelo (e na pele) é o pigmento melanina. Trata-se de um polímero de um aminoácido orgânico com anéis que absorvem um amplo espectro de radiação entre o infravermelho próximo e o ultravioleta.

Modelos de cabelo

O grupo de Kim investigou como as propriedades físicas e químicas do cabelo se combinam para afetar sua absortividade (que é a mesma coisa que sua emissividade de acordo com a lei da radiação térmica de Kirchoff), refletividade e transmissão em diferentes comprimentos de onda. Isso foi feito usando modelos matemáticos e fazendo experimentos em cabelos pretos (que são ricos em melanina) obtidos em um salão local.

Eles descobriram que as amostras de cabelo absorveram cerca de 80% da luz incidente no comprimento de onda infravermelho de 1 μm, que é o comprimento de onda de intensidade máxima na radiação solar. A equipe também estudou amostras de cabelo em que a melanina foi removida por clareamento. Nessas amostras, a absorbância ficou em torno de 40%. A equipe repetiu suas medições para luz infravermelha de 10 μm, que não é um componente significativo da luz solar. Após o branqueamento da melanina, descobriram que a absortividade (e emissividade) neste comprimento de onda permaneceu em torno de 90%. Isto ocorre porque a absorção da radiação neste comprimento de onda se deve em grande parte a ligações químicas em outras moléculas além da melanina – moléculas como a queratina.

Em seguida, os pesquisadores mergulharam os cabelos em água. Eles descobriram que a proporção de radiação solar absorvida caiu significativamente, enquanto a proporção de radiação absorvida em 10 μm foi relativamente inalterada.

Dispersão de poros

“O cabelo humano tem poros de quase 1 μm”, diz Kim, “Esses poros são muito específicos para dispersão na região do infravermelho próximo… Para bloquear completamente a radiação solar, precisamos de um grande comprimento de cabelo: mas se espalharmos a radiação dentro do material podemos bloquear completamente a radiação sem precisar de tanto volume de material.”

Preencher os poros e bordas com água evitou as mudanças abruptas no índice de refração e, assim, reduziu o espalhamento necessário para aumentar o comprimento do caminho da radiação infravermelha próxima no cabelo. Em comprimentos de onda mais longos, provavelmente emitidos pelo corpo humano como calor, entretanto, as ondas não foram espalhadas, mas absorvidas e reemitidas. A equipe optou por estudar a radiação de 10 μm porque ela está no centro de uma “janela de transparência” atmosférica. “Chamamos esse fenômeno de resfriamento radiativo porque podemos emitir facilmente essa radiação para o espaço”, diz Kim.

Pele de urso polar inspira tecidos solares térmicos

Os pesquisadores então conduziram testes de campo. Eles descobriram que, em um dia frio, uma amostra de pele sintética coberta de pelos acabava ficando mais quente que a pele nua. Em um dia quente, porém, a pele sintética coberta de pelos permanecia mais fria. Os investigadores procuram agora desenvolver têxteis de inspiração biológica com base nos princípios descritos num artigo descrevendo a pesquisa in Procedimentos da Academia Nacional de Ciências.

Luís Ruiz Pestana é especialista em modelagem de materiais nanoestruturados pela Universidade de Miami, nos EUA. Ele disse Mundo da física  que esses resultados são ao mesmo tempo impressionantes e intrigantes.

“O que é realmente único não é que você absorva a luz ultravioleta, mas que o cabelo parece ser muito bom em emitir infravermelho”, diz ele; “Então, basicamente, você obtém a luz ultravioleta, absorve-a e libera-a no espectro infravermelho.”

No entanto, ele está perplexo com o comportamento do frio, para o qual os pesquisadores fornecem dados, mas poucas explicações: “Eu não entendi nada [como] a arquitetura do cabelo permite que o infravermelho permaneça preso entre a pele e a atmosfera,” ele diz: “Então a primeira parte é muito clara, a segunda parte não é tão clara”.

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