Physiker nutzen Haarfluoreszenz, um menschliche Haarabfälle wiederzuverwenden

Physiker der National University of Singapore (NUS) haben eine innovative Methode entwickelt, um menschliche Haarabfälle in ein funktionelles Material umzuwandeln, das zur Verschlüsselung sensibler Informationen oder zur Erkennung von Umweltschadstoffen verwendet werden kann.

Im Durchschnitt kann eine einzelne Person pro Tag zwischen 50 und 100 Haarsträhnen verlieren. Dies trägt zu einer beträchtlichen Abfallmenge bei, deren Zersetzung in ihre natürliche Form Jahre dauern oder in Verbrennungsanlagen, Abfallströmen und Deponien landen kann, wo während des Zersetzungsprozesses giftige Dämpfe wie Ammoniak und Schwefeldioxid entstehen. Durch die Deponierung von Haarabfällen können giftige Chemikalien in Gewässer gelangen, die Meeresfauna schädigen und möglicherweise zu Algenblüten führen. Darüber hinaus können menschliche Haare ein Nährboden für Krankheitserreger sein und umliegende Gemeinden dem Risiko eines Krankheitsausbruchs aussetzen.

„Da die menschliche Bevölkerung wächst, wird der Druck, menschliche Haarabfälle zu entsorgen, zunehmen“, sagte Professor Sow Chorng-Haur vom Fachbereich Physik der NUS-Fakultät für Naturwissenschaften. „Anstatt Haarabfälle in die Verbrennungsanlage oder auf die Mülldeponie zu schicken, lohnt es sich, Haarabfälle für andere potenzielle Anwendungen wiederzuverwenden.“

Im Einklang mit dem Engagement der NUS für integrierte Nachhaltigkeitslösungen haben Prof. Sow und sein Forschungsteam bestehend aus Dr. Sharon Lim von der NUS, Dr. Zhang Zheng von der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung und Malcolm Sow von der NUS High School of Math and Science , entwickelte eine einfache, hitzebasierte und chemikalienfreie Methode, um menschliche Haarabfälle in ein funktionelles Material für potenzielle Steganographie- und Schadstofferkennungsanwendungen umzuwandeln. Das Team berichtete über seine Ergebnisse im Journal Fortgeschrittene Photonikforschung das Ende 2022 mit einem Cover-Feature veröffentlicht wurde.

Haarabfälle mithilfe von Hitze wiederverwenden

Es hat sich gezeigt, dass menschliches Haar unter UV-Licht eine milde blaue Fluoreszenz ausstrahlt. Während die chemische Zusammensetzung des Haares wahrscheinlich eine Rolle spielt, müssen die genauen Ursachen oder Mechanismen, die diesem Glanz zugrunde liegen, noch ermittelt werden. Die Forscher nutzten die fluoreszierende Natur des menschlichen Haares und versuchten, Haarabfälle in funktionelles Material umzuwandeln.

In ihrem ersten Experiment gravierten die Forscher mit einem fokussierten Laserstrahl winzige Muster in die Oberfläche einer einzelnen schwarzen menschlichen Haarsträhne. Unter einem Fluoreszenzmikroskop und UV-Licht stellten die Forscher fest, dass diese Muster intensiv leuchteten. Im Vergleich zum Rest des Strangs leuchteten die lasergravierten Muster etwa 350 bis 400 % heller.

Abgesehen von der Verwendung eines fokussierten Laserstrahls kann das Verfahren durch etablierte, leicht verfügbare industrielle Erhitzungsverfahren für die industrielle Anwendung hochskaliert werden, sodass Haare in größeren Mengen behandelt werden können. Als Machbarkeitsnachweis legten die Forscher ganze Haarsträhnen auf kleine Keramikschalen, die dann drei Minuten lang auf einer Heizplatte auf 300 bis 400 °C erhitzt wurden. Ähnlich wie beim Laserexperiment leuchteten wärmebehandelte Haare unter einem Fluoreszenzmikroskop viel heller als makellose Strähnen. Insbesondere Haarsträhnen, die auf 360 °C erhitzt wurden, fluoreszierten fast dreimal so intensiv wie unbehandeltes Haar.

„Die Entdeckung, menschliches Haar durch einen einfachen Erhitzungsprozess zum Leuchten zu bringen, ist eine Überraschung im Labor. Durch gründliche Untersuchungen haben wir herausgefunden, dass Keratin und Tryptophan, Proteine, die Haare bilden, beim Erhitzen in kleine chemische Nebenprodukte zerlegt werden.“ „einer der Hauptfaktoren dafür, dass das Haar strahlender leuchtet“, sagte Prof. Sow.

Geheimnisse verbergen und verschüttete Chemikalien auffangen

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Laser für die Steganographie eingesetzt werden können, bei der geheime Informationen in einer gewöhnlichen Nachricht oder einem Objekt verborgen werden, um einer Entdeckung zu entgehen. Insbesondere fanden die Forscher heraus, dass sie ihren fokussierten Laserstrahl so einstellen konnten, dass er keine physische Beschädigung der Haarsträhne verursachte, aber dennoch erfolgreich ein fluoreszierendes Muster darauf ätzen konnte. Das Endprodukt war eine scheinbar makellose Strähne, die ihre Geheimnisse preisgab, wenn sie UV-Licht ausgesetzt wurde.

Auf einer eher makroskopischen Ebene deutete die Studie darauf hin, dass wärmebehandeltes Haar zur Erkennung giftiger Flüssigkeiten verwendet werden könnte. Die Forscher fanden heraus, dass weißes Haar unter den gleichen Erhitzungsbedingungen eine stärkere Verstärkung der Fluoreszenz aufweist als schwarzes Haar.

Vorteilhaft ist, dass das weiße Haar empfindlich gegenüber einer Substanz namens Methylenblau ist, einer Farbstoffchemikalie, die üblicherweise in der Textilindustrie verwendet wird und routinemäßig als schädlicher Abfall in Gewässern entsorgt wird. In Gegenwart von Methylenblau leuchten die wärmebehandelten weißen Haare unter UV-Licht hell, was es zu einem potenziell kostengünstigen Hilfsmittel zur Erkennung von Methylenblau-Verschmutzungen macht.

Prof. Sow und sein Team arbeiten derzeit an der Entwicklung menschlicher Haarabfälle als steganografische Tinte und tragbarer Detektor für das Vorhandensein von Methylenblau, der für den industriellen Einsatz geeignet ist.

„Zum Beispiel können durch die Zerkleinerung erhitzter, unberührter Haare und deren Aufhängung in separaten Flaschen für den Tintenstrahldruck versteckte Botschaften leicht auf verschiedene Oberflächen gedruckt werden, wodurch dieses einzigartige Abfallmaterial zu einem alternativen nachhaltigen steganografischen Material wird“, sagte Prof. Sow.