Hår hjälper till att hålla oss svala i varmt väder, visar infraröd studie – Physics World

Hår kyler huvudet i varmt väder samtidigt som det håller hårbotten varm i kylan – enligt en ny studie av hur människohår interagerar med infraröd strålning. Forskningen gjordes av forskare i Sydkorea, som hoppas att deras arbete ska inspirera till utvecklingen av nya textilier med optimerade strålningsegenskaper.

Trots att det bara står för 2% av en typisk människas massa, förbrukar huvudet cirka 20% av den energi som förbränns av kroppens ämnesomsättning. Huvudets hudtemperatur kan vara över 2°C varmare än på andra ställen i kroppen, så bra värmehantering är därför avgörande – särskilt när solen slår ner mot hårbotten.

Hår är en evolutionär anpassning för att skydda huvudet från både skadlig solstrålning och kyla. Vid en första anblick kan det tyckas att priset för detta skydd är en gräns för kroppens förmåga att hålla huvudet svalt under varma dagar genom att utstråla värme från hårbotten.

Strålningsegenskaper

Nu har dock materialvetaren Gunwoo Kim och kollegor vid Korea Institute of Industrial Technology i Yeongcheon har utmanat denna uppfattning genom att undersöka hårets strålningsegenskaper. Förutom att få insikter om hårets infraröda egenskaper har teamet också studerat hur de påverkar uppvärmningen och kylningen av hårbotten vid olika omgivningstemperaturer.

Hår består av tre radiella lager varav det mellersta lagret (cortex) är det absolut tjockaste. Cortex består av sammanflätade buntar huvudsakligen gjorda av proteinet keratin och luftfickor som ger håret dess mekaniska egenskaper såsom dess styrka. Det yttre lagret kallas nagelbandet, som består av flera lager av tunna, platta celler som överlappar som takpannor.

Den huvudsakliga absorbatorn av solstrålning i hår (och hud) är pigmentet melanin. Detta är polymer av en organisk aminosyra med ringar som absorberar ett brett spektrum av strålning mellan det nära-infraröda och ultravioletta.

Hårmodeller

Kims grupp undersökte hur hårets fysikaliska och kemiska egenskaper kombineras för att påverka dess absorptionsförmåga (vilket är samma sak är dess emissivitet enligt Kirchoffs lag om termisk strålning), reflektivitet och transmission vid olika våglängder. Detta gjordes med hjälp av matematiska modeller och genom att göra experiment på svart hår (som är rikt på melanin) som erhållits från en lokal salong.

De fann att hårproverna absorberade cirka 80 % av infallande ljus vid den infraröda våglängden på 1 μm, vilket är den maximala intensitetsvåglängden i solstrålning. Teamet studerade också hårprover där melaninet hade avlägsnats genom blekning. I dessa prover var absorbansen cirka 40 %. Teamet upprepade sina mätningar för infrarött ljus vid 10 μm, vilket inte är en betydande del av solljus. Efter blekning av melanin fann de att absorptionsförmågan (och emissiviteten) vid denna våglängd förblev omkring 90 %. Detta beror på att absorbansen av strålning vid denna våglängd till stor del beror på kemiska bindningar i andra molekyler än melanin – molekyler som keratin.

Därefter blötlade forskarna hårstråna i vatten. De fann att andelen solvåglängdsstrålning som absorberades sjönk betydligt, medan andelen strålning som absorberades vid 10 μm var relativt opåverkad.

Spridning av porer

"Människans hår har porer som är nästan 1 μm", säger Kim, "dessa porer är mycket specifika för spridning i det nära-infraröda området... För att helt blockera solstrålning behöver vi en stor längd hår: men om vi sprider strålningen inuti materialet kan vi helt blockera strålningen utan att behöva en sådan mängd material.”

Att fylla porerna och kanterna med vatten hade förhindrat de plötsliga förändringarna i brytningsindex och därigenom minskat den spridning som var nödvändig för att öka väglängden för nära-infraröd strålning i håret. Vid längre våglängder som sannolikt kommer att sändas ut av människokroppen som värme, spreds vågorna dock inte utan absorberades och återutsändes. Teamet valde att studera 10 μm strålning eftersom det är i mitten av ett atmosfäriskt "transparensfönster". "Vi kallar detta fenomen för radiativ kylning eftersom vi enkelt kan sända ut denna strålning till rymden", säger Kim.

Isbjörnspäls inspirerar solvärmetextilier

Forskarna genomförde sedan fältförsök. De fann att en kall dag blev ett prov av syntetisk hud täckt med hår varmare än den bara huden. En varm dag förblev hårtäckt syntetisk hud svalare. Forskarna letar nu efter att utveckla bioinspirerade textilier baserade på principerna som beskrivs i en uppsats som beskriver forskningen in Förlopp av National Academy of Sciences.

Luis Ruiz Pestana är expert på modellering av nanostrukturerade material vid University of Miami i USA. Han berättade Fysikvärlden  att dessa resultat är både imponerande och förbryllande.

"Det riktigt unika är inte att du absorberar UV-ljus, utan att håret verkar vara riktigt bra på att avge infrarött", säger han; "Så i princip får du det UV-ljuset, du absorberar det och släpper det i det infraröda spektrumet."

Han är dock förbryllad över beteendet vid kalla temperaturer, för vilket forskarna tillhandahåller data men få förklaringar: "Jag förstod inte alls [hur] hårets arkitektur tillåter det infraröda att förbli instängt mellan huden och atmosfären." han säger "Så första delen mycket tydlig, andra delen inte så tydlig."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/hair-helps-keep-us-cool-in-hot-weather-infrared-study-reveals/