Волосы помогают нам сохранять прохладу в жаркую погоду, показало инфракрасное исследование

Волосы помогают нам сохранять прохладу в жаркую погоду, показало инфракрасное исследование

Отметка времени: 29 января 2024 г., 12:22

Черные волосы
Жарко и холодно: исследования инфракрасных свойств человеческих волос показывают, что они помогают нам сохранять прохладу в теплые дни. (С разрешения: Тариш/CC BY-SA 3.0)

Волосы охлаждают голову в жаркую погоду, сохраняя при этом кожу головы теплой в холодную – согласно новому исследованию того, как человеческие волосы взаимодействуют с инфракрасным излучением. Исследование провели ученые из Южной Кореи, которые надеются, что их работа вдохновит на разработку нового текстиля с оптимизированными радиационными свойствами.

Несмотря на то, что голова составляет всего 2% массы обычного человека, она потребляет около 20% энергии, сжигаемой в процессе метаболизма тела. Температура кожи головы может быть более чем на 2°C выше, чем в других частях тела, поэтому хорошее регулирование температуры имеет решающее значение, особенно когда солнце палит на кожу головы.

Волосы — это эволюционная адаптация, защищающая голову как от вредного солнечного излучения, так и от холода. На первый взгляд может показаться, что цена этой защиты — это ограничение способности организма сохранять температуру головы в жаркие дни за счет излучения тепла от кожи головы.

Радиационные свойства

Однако теперь ученый-материаловед Ганву Ким и его коллеги из Корейский институт промышленных технологий из Ёнчхона оспорили эту точку зрения, исследуя излучающие свойства волос. Помимо получения информации об инфракрасных свойствах волос, команда также изучила, как они влияют на нагрев и охлаждение кожи головы при различных температурах окружающей среды.

Волосы состоят из трех радиальных слоев, из которых средний слой (кора головного мозга) является самым толстым. Кора состоит из переплетенных пучков, состоящих в основном из белка кератина и воздушных карманов, которые придают волосам механические свойства, такие как прочность. Внешний слой называется кутикулой и состоит из нескольких слоев тонких плоских клеток, перекрывающихся друг с другом, как черепица.

Основным поглотителем солнечной радиации в волосах (и коже) является пигмент меланин. Это полимер органической аминокислоты с кольцами, которые поглощают широкий спектр излучения от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового.

Модели волос

Группа Кима исследовала, как физические и химические свойства волос в совокупности влияют на их поглощающую способность (что то же самое, что и излучательная способность в соответствии с законом теплового излучения Кирхгофа), отражательную способность и пропускание на разных длинах волн. Это было сделано с использованием математических моделей и экспериментов на черных волосах (богатых меланином), полученных в местном салоне красоты.

Они обнаружили, что образцы волос поглощают около 80% падающего света на длине волны инфракрасного излучения 1 мкм, что является длиной волны максимальной интенсивности солнечного излучения. Команда также изучила образцы волос, из которых меланин был удален путем обесцвечивания. В этих образцах поглощение составляло около 40%. Команда повторила свои измерения инфракрасного света длиной 10 мкм, который не является важным компонентом солнечного света. После отбеливания меланина они обнаружили, что поглощающая способность (и излучательная способность) на этой длине волны остается около 90%. Это связано с тем, что поглощение излучения на этой длине волны во многом обусловлено химическими связями в молекулах, отличных от меланина, – таких молекулах, как кератин.

Затем исследователи замачивали волосы в воде. Они обнаружили, что доля поглощенного солнечного излучения с длиной волны значительно снизилась, тогда как доля поглощенного излучения с длиной волны 10 мкм осталась относительно неизменной.

Рассеяние пор

«Человеческие волосы имеют поры размером почти 1 мкм, — говорит Ким. — Эти поры очень специфичны для рассеяния в ближней инфракрасной области… Чтобы полностью блокировать солнечное излучение, нам нужна большая длина волос: но если мы рассеиваем излучение внутри материала, мы можем полностью блокировать излучение, не нуждаясь в таком объеме материала».

Заполнение пор и краев водой предотвратило резкие изменения показателя преломления и тем самым уменьшило рассеяние, необходимое для увеличения длины пути ближнего инфракрасного излучения в волосах. Однако волны с более длинными волнами, которые, вероятно, излучаются человеческим телом в виде тепла, не рассеиваются, а поглощаются и переизлучаются. Команда решила изучить излучение длиной 10 мкм, потому что оно находится в центре «окна прозрачности» атмосферы. «Мы называем это явление радиационным охлаждением, потому что мы можем легко излучать это излучение в космос», — говорит Ким.

Затем исследователи провели полевые испытания. Они обнаружили, что в холодный день образец синтетической кожи, покрытый волосами, оказался теплее, чем голая кожа. Однако в теплый день покрытая волосами синтетическая кожа оставалась прохладнее. Сейчас исследователи стремятся разработать биотекстиль на основе принципов, изложенных в книге. документ с описанием исследования in Труды Национальной академии наук.

Луис Руис Пестана является экспертом в области моделирования наноструктурированных материалов в Университете Майами в США. Он сказал Мир физики  что эти результаты одновременно впечатляют и озадачивают.

«На самом деле уникальность не в том, что вы поглощаете ультрафиолетовый свет, а в том, что волосы действительно хорошо излучают инфракрасное излучение», — говорит он; «По сути, вы получаете ультрафиолетовый свет, поглощаете его и излучаете в инфракрасном спектре».

Однако он озадачен поведением при низких температурах, о котором исследователи предоставляют данные, но мало объяснений: «Я вообще не понимал, [как] структура волос позволяет инфракрасному излучению оставаться в ловушке между кожей и атмосферой». он говорит: «Итак, первая часть очень ясна, вторая часть не так ясна».

Отметка времени:

Больше от Мир физики