Nghiên cứu về tia hồng ngoại tiết lộ tóc giúp chúng ta mát mẻ trong thời tiết nóng bức – Vật lý Thế giới

Nghiên cứu về tia hồng ngoại tiết lộ tóc giúp chúng ta mát mẻ trong thời tiết nóng bức – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: 29:2024 chiều ngày 12 tháng 22 năm XNUMX

Tóc đen
Nóng và lạnh: nghiên cứu về đặc tính hồng ngoại của tóc người cho thấy nó giúp chúng ta mát mẻ trong những ngày ấm áp. (Được phép: Tharish/CC BY-SA 3.0)

Tóc làm mát đầu khi trời nóng, đồng thời giữ ấm da đầu khi trời lạnh – theo một nghiên cứu mới về cách tóc con người tương tác với bức xạ hồng ngoại. Nghiên cứu này được thực hiện bởi các nhà khoa học ở Hàn Quốc. Họ hy vọng công trình của họ sẽ truyền cảm hứng cho sự phát triển các loại vải dệt mới có đặc tính bức xạ được tối ưu hóa.

Mặc dù chỉ chiếm 2% khối lượng cơ thể người điển hình nhưng đầu tiêu thụ khoảng 20% ​​năng lượng được đốt cháy trong quá trình trao đổi chất của cơ thể. Nhiệt độ da của đầu có thể ấm hơn 2°C so với các nơi khác trên cơ thể, do đó, việc quản lý nhiệt tốt là rất quan trọng - đặc biệt là khi Mặt trời chiếu xuống da đầu.

Tóc là một sự thích nghi tiến hóa để bảo vệ đầu khỏi tác hại của bức xạ mặt trời và cái lạnh. Thoạt nhìn, có vẻ như cái giá của sự bảo vệ này là giới hạn khả năng của cơ thể trong việc giữ mát đầu trong những ngày nắng nóng bằng cách tỏa nhiệt từ da đầu.

Tính chất bức xạ

Tuy nhiên, giờ đây, nhà khoa học vật liệu Gunwoo Kim và các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc ở Yeongcheon đã thách thức quan điểm này bằng cách nghiên cứu tính chất bức xạ của tóc. Ngoài việc hiểu rõ hơn về đặc tính hồng ngoại của tóc, nhóm nghiên cứu còn nghiên cứu cách chúng ảnh hưởng đến việc làm nóng và làm mát da đầu ở các nhiệt độ môi trường khác nhau.

Tóc bao gồm ba lớp xuyên tâm trong đó lớp giữa (vỏ não) dày nhất. Vỏ não bao gồm các bó đan xen chủ yếu được tạo thành từ protein keratin và các túi khí mang lại cho tóc các đặc tính cơ học như độ chắc khỏe của tóc. Lớp ngoài gọi là lớp biểu bì, bao gồm nhiều lớp tế bào mỏng, phẳng chồng lên nhau như mái ngói.

Chất hấp thụ chính bức xạ mặt trời ở tóc (và da) là sắc tố melanin. Đây là polyme của một axit amin hữu cơ có các vòng hấp thụ phổ bức xạ rộng giữa tia hồng ngoại và tia cực tím.

Mẫu tóc

Nhóm của Kim đã nghiên cứu xem các tính chất vật lý và hóa học của tóc kết hợp như thế nào để ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của nó (điều tương tự là độ phát xạ của nó theo định luật bức xạ nhiệt của Kirchoff), độ phản xạ và độ truyền ở các bước sóng khác nhau. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình toán học và bằng cách thực hiện các thí nghiệm trên tóc đen (rất giàu melanin) thu được từ một thẩm mỹ viện địa phương.

Họ phát hiện ra rằng các mẫu tóc hấp thụ khoảng 80% ánh sáng tới ở bước sóng hồng ngoại 1 μm, đây là bước sóng có cường độ tối đa trong bức xạ mặt trời. Nhóm nghiên cứu cũng nghiên cứu các mẫu tóc trong đó melanin đã được loại bỏ bằng cách tẩy trắng. Trong các mẫu này, độ hấp thụ là khoảng 40%. Đội nghiên cứu lặp lại các phép đo của mình đối với ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng 10 μm, vốn không phải là thành phần quan trọng của ánh sáng mặt trời. Sau khi tẩy melanin, họ nhận thấy độ hấp thụ (và độ phát xạ) ở bước sóng này vẫn ở mức khoảng 90%. Điều này là do sự hấp thụ bức xạ ở bước sóng này phần lớn là do các liên kết hóa học trong các phân tử không phải melanin – các phân tử như keratin.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu ngâm tóc trong nước. Họ phát hiện ra rằng tỷ lệ bức xạ bước sóng mặt trời được hấp thụ giảm đáng kể, trong khi tỷ lệ bức xạ được hấp thụ ở bước sóng 10 μm tương đối không bị ảnh hưởng.

Rải rác lỗ chân lông

Kim nói: “Tóc con người có các lỗ chân lông gần 1 μm. Những lỗ chân lông đó rất đặc biệt để tán xạ ở vùng cận hồng ngoại…Để ngăn chặn hoàn toàn bức xạ mặt trời, chúng ta cần một sợi tóc dài: nhưng nếu chúng ta phân tán bức xạ bên trong vật liệu này chúng ta có thể chặn hoàn toàn bức xạ mà không cần khối lượng vật liệu lớn như vậy.”

Đổ đầy nước vào các lỗ và các cạnh đã ngăn cản sự thay đổi đột ngột về chiết suất và do đó làm giảm sự tán xạ cần thiết để tăng chiều dài đường đi của bức xạ cận hồng ngoại trong tóc. Tuy nhiên, ở những bước sóng dài hơn có khả năng được cơ thể con người phát ra dưới dạng nhiệt, sóng không bị phân tán mà bị hấp thụ và phát lại. Nhóm nghiên cứu chọn nghiên cứu bức xạ 10 μm vì nó nằm ở trung tâm của “cửa sổ trong suốt” khí quyển. “Chúng tôi gọi hiện tượng này là làm mát bằng bức xạ vì chúng tôi có thể dễ dàng phát ra bức xạ này vào không gian,” Kim nói.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm thực địa. Họ phát hiện ra rằng, vào một ngày lạnh giá, một mẫu da tổng hợp phủ đầy lông sẽ ấm hơn da trần. Tuy nhiên, vào những ngày ấm áp, da tổng hợp phủ đầy lông vẫn mát hơn. Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách phát triển loại vải dệt lấy cảm hứng từ sinh học dựa trên các nguyên tắc được nêu trong giấy mô tả nghiên cứu in Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.

Luis Ruiz Pestana là chuyên gia về mô hình hóa vật liệu cấu trúc nano tại Đại học Miami ở Mỹ. Anh nói Thế giới vật lý  rằng những kết quả này vừa ấn tượng vừa khó hiểu.

Ông nói: “Điều thực sự độc đáo không phải là bạn hấp thụ tia UV mà là sợi tóc đó dường như phát ra tia hồng ngoại rất tốt; “Về cơ bản, bạn thu được tia UV đó, hấp thụ nó và giải phóng nó dưới dạng phổ hồng ngoại.”

Tuy nhiên, anh ấy cảm thấy bối rối trước hành vi của nhiệt độ lạnh mà các nhà nghiên cứu cung cấp dữ liệu nhưng có rất ít lời giải thích: “Tôi hoàn toàn không hiểu [làm thế nào] cấu trúc của tóc cho phép tia hồng ngoại vẫn bị giữ lại giữa da và khí quyển”. anh ấy nói "Phần đầu rất rõ ràng, phần thứ hai không rõ lắm."

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý