Părul ne ajută să ne răcorim pe vreme caldă, arată un studiu în infraroșu – Physics World

Părul ne ajută să ne răcorim pe vreme caldă, arată un studiu în infraroșu – Physics World

Marca temporală: 29 ianuarie 2024 12:22

Brunet
Cald și rece: cercetările asupra proprietăților în infraroșu ale părului uman sugerează că ne ajută să ne menținem răcori în zilele calde. (Cu amabilitatea: Tharish/CC BY-SA 3.0)

Părul răcește capul pe vreme caldă, menținând în același timp scalpul cald la frig – potrivit unui nou studiu despre modul în care părul uman interacționează cu radiația infraroșie. Cercetarea a fost făcută de oameni de știință din Coreea de Sud, care speră că munca lor va inspira dezvoltarea de noi textile cu proprietăți radiative optimizate.

În ciuda faptului că reprezintă doar 2% din masa unui om tipic, capul consumă aproximativ 20% din energia arsă de metabolismul corpului. Temperatura pielii capului poate fi cu peste 2°C mai caldă decât în ​​altă parte a corpului, așa că o bună gestionare a temperaturii este esențială, în special atunci când soarele bate pe scalp.

Părul este o adaptare evolutivă pentru a proteja capul atât de radiațiile solare dăunătoare, cât și de frig. La prima vedere ar putea părea că prețul acestei protecții este o limită a capacității organismului de a menține capul răcoros în zilele caniculare prin radiarea căldurii din scalp.

Proprietăți radiative

Acum, însă, savantul în materiale Gunwoo Kim și colegii de la Institutul Coreean de Tehnologie Industrială în Yeongcheon au contestat acest punct de vedere prin investigarea proprietăților radiative ale părului. Pe lângă faptul că a obținut informații despre proprietățile în infraroșu ale părului, echipa a studiat și modul în care acestea afectează încălzirea și răcirea scalpului la diferite temperaturi ambientale.

Părul cuprinde trei straturi radiale dintre care stratul mijlociu (cortexul) este de departe cel mai gros. Cortexul este alcătuit din mănunchiuri împletite în principal din cheratina proteică și pungi de aer care conferă părului proprietățile sale mecanice, cum ar fi rezistența. Stratul exterior se numește cuticulă, care cuprinde mai multe straturi de celule subțiri și plate care se suprapun ca țiglele de acoperiș.

Principalul absorbant al radiației solare în păr (și piele) este pigmentul melanina. Acesta este polimerul unui aminoacid organic cu inele care absorb un spectru larg de radiații între infraroșu apropiat și ultraviolet.

Modele de păr

Grupul lui Kim a investigat modul în care proprietățile fizice și chimice ale părului se combină pentru a-i afecta absorbția (care este același lucru este emisivitatea, conform legii lui Kirchoff a radiației termice), reflectivitatea și transmisia la diferite lungimi de undă. Acest lucru a fost realizat folosind modele matematice și făcând experimente pe părul negru (care este bogat în melanină) obținut dintr-un salon local.

Ei au descoperit că mostrele de păr au absorbit aproximativ 80% din lumina incidentă la lungimea de undă în infraroșu de 1 μm, care este lungimea de undă de intensitate maximă în radiația solară. Echipa a studiat, de asemenea, mostre de păr în care melanina a fost îndepărtată prin decolorare. În aceste probe, absorbanța a fost de aproximativ 40%. Echipa și-a repetat măsurătorile pentru lumina infraroșie la 10 μm, care nu este o componentă semnificativă a luminii solare. După albirea melaninei, au descoperit că absorbtivitatea (și emisivitatea) la această lungime de undă a rămas în jur de 90%. Acest lucru se datorează faptului că absorbanța radiației la această lungime de undă se datorează în mare parte legăturilor chimice din molecule, altele decât melanina - molecule precum keratina.

Apoi, cercetătorii au înmuiat firele de păr în apă. Ei au descoperit că proporția de radiație absorbită cu lungimea de undă solară a scăzut semnificativ, în timp ce proporția de radiație absorbită la 10 μm a fost relativ neafectată.

Pori de împrăștiere

„Părul uman are pori care sunt de aproape 1 μm”, spune Kim, „Acei pori sunt foarte specifici pentru împrăștierea în regiunea infraroșu apropiat... Pentru a bloca complet radiația solară avem nevoie de o lungime mare de păr: dar dacă împrăștiem radiația în interior. materialul îl putem bloca complet radiația fără a avea nevoie de un asemenea volum de material.”

Umplerea porilor și marginilor cu apă a prevenit schimbările bruște ale indicelui de refracție și, prin urmare, a redus împrăștierea necesară pentru a crește lungimea traseului radiației infraroșii apropiate în păr. Cu toate acestea, la lungimi de undă mai mari care ar putea fi emise de corpul uman sub formă de căldură, undele nu au fost împrăștiate, ci absorbite și reemise. Echipa a ales să studieze radiația de 10 μm deoarece se află în centrul unei „ferestre de transparență” atmosferice. „Numim acest fenomen răcire radiativă pentru că putem emite această radiație cu ușurință în spațiu”, spune Kim.

Cercetătorii au efectuat apoi teste pe teren. Ei au descoperit că, într-o zi rece, o probă de piele sintetică acoperită cu păr a ajuns să fie mai caldă decât pielea goală. Într-o zi caldă, totuși, pielea sintetică acoperită cu păr a rămas mai rece. Cercetătorii caută acum să dezvolte textile bio-inspirate pe baza principiilor prezentate în a lucrare care descrie cercetarea in Proceedings ale Academiei Naționale de Științe.

Luis Ruiz Pestana este expert în modelarea materialelor nanostructurate la Universitatea din Miami din SUA. El a spus Lumea fizicii  că aceste rezultate sunt atât impresionante, cât și derutante.

„Lucrul cu adevărat unic nu este că absorbi lumina UV, ci că părul pare să fie foarte bun la emiterea în infraroșu”, spune el; „Deci, practic, primești acea lumină UV, o absorbi și o eliberezi în spectrul infraroșu.”

Cu toate acestea, el este perplex de comportamentul temperaturii reci, pentru care cercetătorii oferă date, dar puține explicații: „Nu am înțeles deloc [cum] arhitectura părului permite infraroșului să rămână prins între piele și atmosferă”. el spune „Deci prima parte foarte clară, a doua parte nu atât de clară”.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii