红外线研究表明，头发有助于我们在炎热的天气中保持凉爽 – 物理世界

一项关于人类头发与红外辐射如何相互作用的新研究表明，头发在炎热的天气里可以给头部降温，同时在寒冷的天气里可以让头皮保持温暖。这项研究是由韩国科学家完成的，他们希望他们的工作能够激发具有优化辐射性能的新型纺织品的开发。

尽管头部仅占典型人体质量的 2%，但其消耗的能量却占人体新陈代谢消耗的能量的 20% 左右。头部皮肤温度可能比身体其他部位高出 2°C 以上，因此良好的热管理至关重要，尤其是当阳光直射头皮时。

头发是一种进化适应，可以保护头部免受太阳辐射和寒冷的损害。乍一看，这种保护的代价似乎是限制了身体在炎热的天气里通过头皮散发热量来保持头部凉爽的能力。

辐射特性

然而现在，材料科学家 Gunwoo Kim 及其同事 韩国产业技术研究院 永川市的研究人员通过研究头发的辐射特性对这一观点提出了挑战。除了深入了解头发的红外特性外，该团队还研究了它们如何影响不同环境温度下头皮的加热和冷却。

头发由三个径向层组成，其中中间层（皮质）是迄今为止最厚的。皮质由主要由角蛋白和气穴组成的相互缠绕的束组成，赋予头发机械特性，例如强度。外层称为角质层，由多层薄而扁平的细胞组成，像屋顶瓦片一样重叠。

头发（和皮肤）中太阳辐射的主要吸收体是黑色素。这是一种带有环的有机氨基酸聚合物，可吸收近红外和紫外之间的广谱辐射。

头发模型

Kim 的研究小组研究了头发的物理和化学特性如何结合起来影响其吸收率（根据基尔霍夫热辐射定律，这与发射率是同一回事）、反射率和不同波长的透射率。这是通过使用数学模型并对从当地沙龙获得的黑发（富含黑色素）进行实验来完成的。

他们发现，头发样本吸收了约 80% 的 1 μm 红外波长的入射光，这是太阳辐射的最大强度波长。研究小组还研究了通过漂白去除黑色素的头发样本。在这些样品中，吸光度约为 40%。该团队重复了对 10 μm 红外光的测量，这并不是太阳光的重要组成部分。漂白黑色素后，他们发现该波长的吸收率（和发射率）保持在 90% 左右。这是因为该波长下辐射的吸收很大程度上是由于黑色素以外的分子（例如角蛋白）中的化学键造成的。

接下来，研究人员将头发浸泡在水中。他们发现，吸收的太阳波长辐射的比例显着下降，而吸收的 10 μm 辐射的比例相对不受影响。

毛孔散乱

“人类头发的毛孔接近 1 微米，”Kim 说，“这些毛孔对于近红外区域的散射非常特殊……为了完全阻挡太阳辐射，我们需要很长的头发：但如果我们将辐射散射到内部我们可以完全阻挡辐射，而不需要这么大量的材料。”

用水填充毛孔和边缘可以防止折射率的突然变化，从而减少了增加头发中近红外辐射路径长度所需的散射。然而，在人体可能以热量形式发射的较长波长下，波不会被散射，而是被吸收并重新发射。该团队选择研究 10 μm 辐射，因为它位于大气“透明窗口”的中心。 “我们将这种现象称为辐射冷却，因为我们可以轻松地将这种辐射发射到太空，”金说。

北极熊皮毛激发了太阳能热纺织品的灵感

研究人员随后进行了现场试验。他们发现，在寒冷的日子里，覆盖着头发的合成皮肤样本最终比裸露的皮肤更温暖。然而，在温暖的日子里，覆盖着头发的合成皮肤仍然凉爽。研究人员现在正在寻求根据中概述的原理开发仿生纺织品 描述研究的论文 in 美国国家科学院院刊。

路易斯·鲁伊斯·佩斯塔纳 是美国迈阿密大学纳米结构材料建模专家。他说 物理世界  这些结果既令人印象深刻又令人费解。

“真正独特的事情不是你吸收紫外线，而是头发似乎非常擅长发射红外线，”他说。 “所以基本上你会得到紫外线，吸收它，然后在红外光谱中释放它。”

然而，他对寒冷的温度行为感到困惑，研究人员对此提供了数据，但几乎没有解释：“我根本不明白头发的结构[如何]让红外线保持在皮肤和大气之间，”他说：“所以第一部分非常清楚，第二部分不太清楚。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/hair-helps-keep-us-cool-in-hot-weather-infrared-study-reveals/