เส้นผมช่วยให้เราเย็นสบายในช่วงอากาศร้อน ผลการศึกษาอินฟราเรดเผย – โลกฟิสิกส์

เส้นผมช่วยให้เราเย็นสบายในช่วงอากาศร้อน ผลการศึกษาอินฟราเรดเผย – โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 29 มกราคม 2024 12:22 น

ผมสีดำ
ร้อนและเย็น: การวิจัยคุณสมบัติอินฟราเรดของเส้นผมมนุษย์ชี้ให้เห็นว่าช่วยให้เราเย็นสบายในวันที่อากาศอบอุ่น (เอื้อเฟื้อโดย: ทาริช/CC BY-SA 3.0)

ผมทำให้ศีรษะเย็นลงในช่วงอากาศร้อน ในขณะเดียวกันก็รักษาหนังศีรษะให้อบอุ่นในช่วงเย็น ตามการศึกษาใหม่ว่าเส้นผมของมนุษย์มีปฏิกิริยาอย่างไรกับรังสีอินฟราเรด การวิจัยนี้ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ในเกาหลีใต้ ซึ่งหวังว่างานของพวกเขาจะเป็นแรงบันดาลใจในการพัฒนาสิ่งทอใหม่ๆ ที่มีคุณสมบัติในการแผ่รังสีที่เหมาะสมที่สุด

แม้จะคิดเป็นเพียง 2% ของมวลมนุษย์โดยทั่วไป แต่ศีรษะก็ใช้พลังงานประมาณ 20% ของพลังงานที่เผาผลาญโดยกระบวนการเผาผลาญของร่างกาย อุณหภูมิผิวหนังของศีรษะอาจอุ่นกว่าบริเวณอื่นๆ ในร่างกายมากกว่า 2°C ดังนั้นการจัดการความร้อนที่ดีจึงเป็นสิ่งสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อดวงอาทิตย์ส่องลงมาที่หนังศีรษะ

ผมเป็นการปรับตัวเชิงวิวัฒนาการเพื่อปกป้องศีรษะจากทั้งรังสีดวงอาทิตย์ที่สร้างความเสียหายและความหนาวเย็น เมื่อแรกเห็นอาจดูเหมือนว่าราคาของการป้องกันนี้เป็นขีดจำกัดความสามารถของร่างกายในการรักษาศีรษะให้เย็นในวันที่อากาศร้อนโดยการแผ่ความร้อนออกจากหนังศีรษะ

คุณสมบัติการแผ่รังสี

อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ กันวู คิม และเพื่อนร่วมงานที่ สถาบันเทคโนโลยีอุตสาหกรรมแห่งเกาหลี ในเมืองยองชอนได้ท้าทายมุมมองนี้โดยการตรวจสอบคุณสมบัติการแผ่รังสีของเส้นผม นอกเหนือจากการได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติอินฟราเรดของเส้นผมแล้ว ทีมงานยังได้ศึกษาว่าคุณสมบัติเหล่านี้ส่งผลต่อการให้ความร้อนและความเย็นของหนังศีรษะในอุณหภูมิแวดล้อมต่างๆ อย่างไร

ผมประกอบด้วยชั้นรัศมีสามชั้น โดยชั้นกลาง (เยื่อหุ้มสมอง) มีความหนามากที่สุด เยื่อหุ้มสมองประกอบด้วยมัดที่พันกันซึ่งส่วนใหญ่ทำจากโปรตีนเคราตินและช่องอากาศที่ช่วยให้เส้นผมมีคุณสมบัติเชิงกล เช่น ความแข็งแรง ชั้นนอกเรียกว่าหนังกำพร้าซึ่งประกอบด้วยเซลล์แบนบาง ๆ หลายชั้นที่ทับซ้อนกันเหมือนกระเบื้องมุงหลังคา

ตัวดูดซับหลักของรังสีดวงอาทิตย์ในเส้นผม (และผิวหนัง) คือเม็ดสีเมลานิน นี่คือโพลีเมอร์ของกรดอะมิโนอินทรีย์ที่มีวงแหวนที่ดูดซับรังสีสเปกตรัมกว้างระหว่างอินฟราเรดใกล้และอัลตราไวโอเลต

โมเดลผม

กลุ่มของ Kim ตรวจสอบว่าคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของเส้นผมรวมกันส่งผลต่อการดูดซึมของมันอย่างไร (ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกันคือการแผ่รังสีตามกฎการแผ่รังสีความร้อนของ Kirchoff) การสะท้อนแสง และการส่งผ่านที่ความยาวคลื่นต่างกัน ซึ่งทำได้โดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และทำการทดลองกับผมสีดำ (ซึ่งอุดมไปด้วยเมลานิน) ที่ได้จากร้านเสริมสวยในท้องถิ่น

พวกเขาพบว่าตัวอย่างเส้นผมดูดซับแสงตกกระทบได้ประมาณ 80% ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรด 1 ไมโครเมตร ซึ่งเป็นความยาวคลื่นความเข้มสูงสุดในการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ ทีมงานยังได้ศึกษาตัวอย่างเส้นผมที่เมลานินถูกกำจัดออกโดยการฟอกสี ในตัวอย่างนี้ ค่าการดูดกลืนแสงอยู่ที่ประมาณ 40% ทีมงานทำการตรวจวัดแสงอินฟราเรดซ้ำที่ 10 ไมโครเมตร ซึ่งไม่ใช่องค์ประกอบสำคัญของแสงแดด หลังจากการฟอกสีเมลานิน พวกเขาพบว่าการดูดซึม (และการแผ่รังสี) ที่ความยาวคลื่นนี้ยังคงอยู่ประมาณ 90% ทั้งนี้เนื่องจากการดูดกลืนรังสีที่ความยาวคลื่นนี้ส่วนใหญ่เกิดจากพันธะเคมีในโมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่เมลานิน เช่น เคราติน

จากนั้นนักวิจัยก็นำเส้นผมไปแช่น้ำ พวกเขาพบว่าสัดส่วนของการดูดซับรังสีที่ความยาวคลื่นแสงอาทิตย์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่สัดส่วนของการดูดซับรังสีที่ 10 ไมโครเมตร ไม่ได้รับผลกระทบค่อนข้างมาก

รูขุมขนกระจัดกระจาย

“เส้นผมของมนุษย์มีรูขุมขนที่เกือบ 1 ไมโครเมตร” คิมกล่าว “รูขุมขนเหล่านั้นมีความเฉพาะเจาะจงมากสำหรับการกระเจิงในบริเวณอินฟราเรดใกล้...ในการปิดกั้นรังสีดวงอาทิตย์ได้อย่างสมบูรณ์ เราจำเป็นต้องมีผมที่ยาวมาก แต่ถ้าเรากระจายรังสีเข้าไปข้างใน วัสดุที่เราสามารถปิดกั้นรังสีได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่จำเป็นต้องมีปริมาณวัสดุขนาดนั้น”

การเติมน้ำเข้าไปในรูขุมขนและขอบช่วยป้องกันการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงอย่างกะทันหัน และช่วยลดการกระเจิงที่จำเป็นในการเพิ่มความยาวเส้นทางของรังสีอินฟราเรดใกล้ในเส้นผม ที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่าร่างกายมนุษย์มีแนวโน้มที่จะปล่อยออกมาเป็นความร้อน คลื่นจะไม่กระจัดกระจาย แต่จะดูดซับและปล่อยออกมาอีกครั้ง ทีมงานเลือกที่จะศึกษารังสีขนาด 10 ไมโครเมตร เนื่องจากมันอยู่ใจกลาง "หน้าต่างโปร่งใส" ในชั้นบรรยากาศ “เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีเพราะเราสามารถปล่อยรังสีนี้ออกสู่อวกาศได้อย่างง่ายดาย” คิมกล่าว

จากนั้นผู้วิจัยได้ทำการทดลองภาคสนาม พวกเขาพบว่าในวันที่อากาศหนาว ตัวอย่างผิวหนังสังเคราะห์ที่ปกคลุมไปด้วยขนจะอุ่นกว่าผิวหนังเปลือย อย่างไรก็ตาม ในวันที่อากาศอบอุ่น ผิวสังเคราะห์ที่ปกคลุมไปด้วยขนจะยังคงเย็นกว่า ขณะนี้นักวิจัยกำลังมองหาที่จะพัฒนาสิ่งทอที่ได้แรงบันดาลใจจากชีวภาพตามหลักการที่ระบุไว้ใน กระดาษอธิบายการวิจัย in การดำเนินการของ National Academy of Sciences

หลุยส์ รุยซ์ เปสตาน่า เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการสร้างแบบจำลองวัสดุโครงสร้างนาโนที่มหาวิทยาลัยไมอามี ในสหรัฐอเมริกา เขาบอก โลกฟิสิกส์  ว่าผลลัพธ์เหล่านี้ทั้งน่าประทับใจและน่างงงวย

“สิ่งพิเศษจริงๆ ไม่ใช่ว่าคุณดูดซับแสงยูวี แต่เส้นผมนั้นดูเหมือนจะเปล่งแสงอินฟราเรดได้ดีมาก” เขากล่าว “โดยพื้นฐานแล้ว คุณได้รับแสงยูวี คุณดูดซับมัน และปล่อยมันออกมาในสเปกตรัมอินฟราเรด”

อย่างไรก็ตาม เขารู้สึกงุนงงกับพฤติกรรมอุณหภูมิที่เย็น ซึ่งนักวิจัยให้ข้อมูลแต่มีคำอธิบายเพียงเล็กน้อย: "ฉันไม่เข้าใจว่าสถาปัตยกรรมของเส้นผมปล่อยให้อินฟราเรดติดอยู่ระหว่างผิวหนังและบรรยากาศได้อย่างไร" เขาบอกว่า “ภาคแรกชัดเจนมาก ส่วนภาคสองไม่ค่อยชัดเจน”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์