Kosa za modernu osobu nije ništa drugo do element vizualne samoidentifikacije, dio slike i slike. Unatoč tome, ove rožnate formacije kože imaju nekoliko važnih bioloških funkcija: zaštitu, termoregulaciju, dodir itd. Koliko je jaka naša kosa? Kako se ispostavilo, oni su mnogo puta jači od dlake slona ili žirafe.
Danas ćemo se upoznati sa studijom u kojoj su naučnici sa Univerziteta u Kaliforniji (SAD) odlučili da testiraju kako debljina dlake i njena snaga koreliraju kod različitih životinjskih vrsta, uključujući i ljude. Čija je kosa najjača, koja mehanička svojstva imaju različite vrste kose i kako ovo istraživanje može pomoći u razvoju novih vrsta materijala? O tome saznajemo iz izvještaja naučnika. Idi.
Osnova istraživanja
Kosa, koja se uglavnom sastoji od proteina keratina, je rožnata formacija kože sisara. U stvari, kosa, vuna i krzno su sinonimi. Struktura kose sastoji se od keratinskih ploča koje se preklapaju jedna na drugu, poput domina koje padaju jedna na drugu. Svaka dlaka ima tri sloja: kutikula je vanjski i zaštitni sloj; korteks - korteks, koji se sastoji od izduženih mrtvih ćelija (važne za snagu i elastičnost kose, određuje njenu boju zbog melanina) i medula - središnji sloj kose, koji se sastoji od mekih keratinskih ćelija i vazdušnih šupljina, koji se uključeni u prijenos hranjivih tvari u druge slojeve.
Ako je kosa podijeljena okomito, dobijamo potkožni dio (osovina) i potkožni dio (lukovica ili korijen). Lukovica je okružena folikulom, čiji oblik određuje oblik same dlake: okrugli folikul je ravan, ovalni folikul je blago kovrčav, folikul u obliku bubrega je kovrčav.
Mnogi naučnici sugeriraju da se ljudska evolucija mijenja zbog tehnološkog napretka. Odnosno, neki organi i strukture u našem tijelu postepeno postaju rudimentarni - oni koji su izgubili svoju namjenu. Ovi dijelovi tijela uključuju umnjake, slijepo crijevo i dlake na tijelu. Drugim riječima, naučnici vjeruju da će s vremenom ove strukture jednostavno nestati iz naše anatomije. Je li to istina ili ne, teško je reći, ali za mnoge obične ljude umnjaci su, na primjer, povezani s posjetom stomatologu radi njihovog neizbježnog uklanjanja.
Kako god bilo, čovjeku je kosa potrebna, ona možda više ne igra bitnu ulogu u termoregulaciji, ali je i dalje sastavni dio estetike. Isto se može reći i za svetsku kulturu. U mnogim zemljama, od pamtivijeka, kosa se smatrala izvorom sve snage, a šišanje je bilo povezano s mogućim zdravstvenim problemima, pa čak i neuspjesima u životu. Sveto značenje kose migriralo je iz šamanskih rituala drevnih plemena u modernije religije, djela pisaca, umjetnika i kipara. Konkretno, ženska ljepota je često bila usko povezana s načinom na koji je kosa ljupkih dama izgledala ili je bila prikazana (na primjer, na slikama).
Obratite pažnju kako je detaljno prikazana kosa Venere (Sandro Botticelli, “Rođenje Venere”, 1485.).
Ostavimo po strani kulturni i estetski aspekt kose i počnemo razmatrati istraživanja naučnika.
Dlaka, u ovom ili onom obliku, prisutna je kod mnogih vrsta sisara. Ako za ljude više nisu toliko važni s biološke točke gledišta, onda su za druge predstavnike životinjskog svijeta vuna i krzno vitalni atributi. Istovremeno, po svojoj osnovnoj strukturi, ljudska kosa i, na primjer, slonova kosa su vrlo slične, iako postoje razlike. Najočigledniji od njih su dimenzije, jer je slonova dlaka mnogo gušća od naše, ali, kako se pokazalo, nije jača.
Naučnici već duže vrijeme proučavaju kosu i vunu. Rezultati ovih radova implementirani su kako u kozmetologiju i medicinu, tako i u laku industriju (ili, kako bi rekao poznati Kalugina L.P.: „laku industriju“), tačnije u tekstil. Osim toga, proučavanje dlake uvelike je pomoglo u razvoju biomaterijala na bazi keratina, koji su početkom prošlog stoljeća naučili izolirati od životinjskih rogova pomoću kreča.
Tako dobijeni keratin korišten je za stvaranje gelova koji se mogu ojačati dodavanjem formaldehida. Kasnije su naučili da izoluju keratin ne samo iz životinjskih rogova, već i iz njihovog krzna, kao i iz ljudske kose. Tvari na bazi keratina našle su svoju primjenu u kozmetici, kompozitima, pa čak i u oblogama za tablete.
Danas se industrija proučavanja i proizvodnje izdržljivih i laganih materijala ubrzano razvija. Kosa je, budući da je prirodna, jedan od prirodnih materijala koji inspiriše ovakvu vrstu istraživanja. Uzmite u obzir vlačnu čvrstoću vune i ljudske kose, koja se kreće od 200 do 260 MPa, što je ekvivalent specifičnoj čvrstoći od 150-200 MPa/mg m-3. I to je gotovo usporedivo sa čelikom (250 MPa / mg m-3).
Glavnu ulogu u formiranju mehaničkih svojstava kose igra njena hijerarhijska struktura, koja podsjeća na matrjošku. Najvažniji element ove strukture je unutrašnji korteks kortikalnih ćelija (prečnika oko 5 μm i dužine 100 μm), koji se sastoji od grupisanih makrofibrila (prečnika oko 0.2-0.4 μm), koji se pak sastoje od intermedijarnih filamenata (7.5 nm). u prečniku ), ugrađen u amorfnu matricu.
Mehanička svojstva kose, njena osjetljivost na temperaturu, vlagu i deformacije direktan su rezultat interakcije amorfnih i kristalnih komponenti korteksa. Keratinska vlakna korteksa ljudske kose obično imaju veliko izduživanje, sa vlačnim naprezanjem većim od 40%.
Ovako visoka vrijednost je posljedica odmotavanja konstrukcije а-keratin i, u nekim slučajevima, njegovu transformaciju u b-keratin, što dovodi do povećanja dužine (puni okret spirale od 0.52 nm rastegnut je na 1.2 nm u konfiguraciji b). Ovo je jedan od glavnih razloga zašto su se mnoge studije fokusirale posebno na keratin kako bi ga ponovo stvorili u sintetičkom obliku. Ali vanjski sloj kose (kutikula), kao što već znamo, sastoji se od ploča (debljine 0.3-0.5 mikrona i dužine 40-60 mikrona).
Ranije su naučnici već sproveli istraživanja o mehaničkim svojstvima kose ljudi različitih starosnih i etničkih grupa. U ovom radu akcenat je stavljen na proučavanje razlika u mehaničkim svojstvima dlake različitih životinjskih vrsta, i to: ljudi, konja, medvjeda, divljih svinja, kapibara, pekarija, žirafa i slonova.
Rezultati studije
Slika 1: Morfologija ljudske kose (А - kutikula; В - fraktura korteksa; pokazujući krajeve vlakana, С — površina rasjeda, na kojoj su vidljiva tri sloja; D - lateralna površina korteksa, pokazuje izduženje vlakana).
Odrasla ljudska kosa je oko 80-100 mikrona u prečniku. Uz normalnu njegu kose, njihov izgled je prilično holistički (1A). Unutrašnja komponenta ljudske kose je fibrozni korteks. Nakon zateznog testiranja, ustanovljeno je da su kutikula i korteks ljudske kose različito pucali: kutikula se obično lomila abrazivno (zgužvala), a keratinska vlakna u korteksu su oljuštena i izvučena iz cjelokupne strukture (1B).
Na slici 1S lomljiva površina kutikule jasno je vidljiva vizualizacijom slojeva koji su preklapajuće ploče zanoktice i imaju debljinu od 350-400 nm. Uočeno raslojavanje na površini loma, kao i krhka priroda ove površine, ukazuje na slabu međufaznu komunikaciju između kutikule i korteksa, te između vlakana unutar korteksa.
Keratinska vlakna u korteksu su eksfolirana (1D). Ovo sugerira da je vlaknasti korteks prvenstveno odgovoran za mehaničku čvrstoću kose.
Slika br. 2: Morfologija konjske dlake (А - zanoktica, od kojih su neke ploče blago odstupljene zbog nedostatka njege; В - izgled rupture; С — detalji rupture korteksa, gdje je vidljiva pokidana kutikula; D - detalji zanoktice).
Struktura konjske dlake je slična ljudskoj, osim prečnika koji je 50% veći (150 mikrona). Na slici 2A Možete vidjeti očigledna oštećenja kutikule, gdje mnoge ploče nisu tako usko povezane sa osovinom kao što su bile u ljudskoj kosi. Mjesto loma konjske dlake sadrži i normalan prekid i prekid dlake (delminacija ploča zanoktice). On 2B Vidljive su obje vrste oštećenja. U područjima gdje su lamele potpuno otkinute vidljiva je sučelja između kutikule i korteksa (2S). Nekoliko vlakana je pokidano i raslojano na sučelju. Upoređujući ova zapažanja s prethodnim zapažanjima (ljudska kosa), takvi nedostaci pokazuju da konjska dlaka nije iskusila toliki stres kao ljudska kosa kada su vlakna u korteksu izvučena i potpuno odvojena od zanoktice. Također se može vidjeti da su se neke ploče odvojile od šipke, što može biti posljedica vlačnog naprezanja (2D).
Slika 3: Morfologija medvjeđe dlake (А - kutikula; В — oštećenje na dvije tačke povezane s područjem rupture; С — pucanje kutikule sa delaminacijom vlakana u korteksu; D - detalji strukture vlakana, vidljivo je nekoliko izduženih vlakana iz opšte strukture).
Debljina medvjeđe dlake je 80 mikrona. Ploče zanoktice su izuzetno čvrsto vezane jedna za drugu (3A), a u nekim područjima čak je teško razlikovati pojedinačne ploče. To može biti zbog trenja kose o susjedne. Pod vlačnim naprezanjem, ove dlačice se bukvalno cijepaju sa pojavom dugih pukotina (umetnutih na 3B), što ukazuje na to da su se sa slabim efektom vezivanja oštećene kutikule, keratinska vlakna u korteksu lako raslojavala. Delaminacija korteksa uzrokuje lomljenje kutikule, o čemu svjedoči cik-cak uzorak loma (3S). Ova napetost uzrokuje izvlačenje nekih vlakana iz korteksa (3D).
Slika br. 4: morfologija dlake vepra (А - obična ravna fraktura kose; В — struktura kutikule pokazuje loše stanje integriteta (grupisanja) ploča; С — pojedinosti o praznini na granici između kutikule i korteksa; D - vlakna izdužena od ukupne mase i izbočena vlakna).
Dlaka vepra je prilično gusta (230 mm), posebno u poređenju sa medvjeđom dlakom. Čupanje dlake vepra kada je oštećeno izgleda sasvim jasno (4A) okomito na smjer vlačnog naprezanja.
Relativno male izložene ploče zanoktice su otrgnute s glavnog tijela dlake zbog rastezanja njihovih rubova (4B).
Na površini zone destrukcije jasno je vidljiva delaminacija vlakana; također je jasno da su bila vrlo čvrsto međusobno povezana unutar korteksa (4S). Samo su vlakna na granici između korteksa i kutikule bila izložena zbog razdvajanja (4D), koji je otkrio prisustvo debelih kortikalnih fibrila (250 nm u prečniku). Neki od fibrila su blago izbočeni zbog deformacije. Oni bi trebali služiti kao sredstvo za jačanje dlake vepra.
Slika #5: Morfologija dlake slona (А - С) i žirafa (D - F). А - kutikula; В - postupno lomljenje kose; С - praznine unutar dlake ukazuju na to gdje su vlakna počupana. D - kutikularne ploče; Е - ravnomerno pucanje kose; F - vlakna otkinuta s površine u području prijeloma.
Dlaka bebe slona može biti debela oko 330 mikrona, a kod odrasle osobe može doseći 1.5 mm. Ploče na površini teško se razlikuju (5A).Slonova dlaka je takođe sklona normalnom raspadanju, tj. do čistog zateznog loma. Štoviše, morfologija površine prijeloma pokazuje stepenasti izgled (5B), vjerovatno zbog prisustva manjih defekata u korteksu dlake. Neke male rupe se također mogu vidjeti na površini loma, gdje su se armaturna vlakna vjerovatno nalazila prije oštećenja (5S).
Dlaka žirafe je također prilično gusta (370 mikrona), iako raspored ploča zanoktice nije tako jasan (5D). Vjeruje se da je to zbog njihovog oštećenja raznim faktorima okoline (na primjer, trenjem o drveće tokom hranjenja). Uprkos razlikama, žirafina dlaka je bila slična onoj kod slona (5F).
Slika br. 6: morfologija dlake kapibare (А - dvostruka kutikularna struktura ploča; В — puknuće dvostruke strukture; С — vlakna blizu granice rupture izgledaju krhka i kruta; D - izdužena vlakna iz zone rupture dvostruke strukture).
Dlaka kapibara i pekara razlikuje se od svih ostalih proučavanih dlaka. Kod kapibare, glavna razlika je prisutnost dvostruke konfiguracije kutikule i ovalnog oblika dlake (6A). Utor između dva zrcalna dijela dlake neophodan je za brže uklanjanje vode iz krzna životinje, kao i za bolju ventilaciju, što joj omogućava brže sušenje. Kada je izložena rastezanju, kosa se dijeli na dva dijela duž utora, a svaki dio se uništava (6B). Mnoga vlakna korteksa su odvojena i rastegnuta (6S и 6D).
Slika #7: Morfologija dlake pekarija (А - struktura kutikule i mjesto rupture; В — morfologija destrukcije korteksa i detalji o njegovoj strukturi; С — zatvorene ćelije (20 mikrona u prečniku), čiji se zidovi sastoje od vlakana; D - ćelijski zidovi).
Pekarije (porodica Tayassuidae, tj. pekarija) kosa ima porozni korteks, a sloj kutikule nema jasne ploče (7A). Korteks dlake sadrži zatvorene ćelije veličine 10-30 mikrona (7B), čiji se zidovi sastoje od keratinskih vlakana (7S). Ovi zidovi su prilično porozni, a veličina jedne pore je oko 0.5-3 mikrona (7D).
Kao što možete vidjeti na slici 7A, bez potpore fibroznog korteksa, kutikula puca duž linije loma, a vlakna se na nekim mjestima izvlače. Ova struktura dlake je neophodna kako bi dlaka bila vertikalnija, vizuelno povećavajući veličinu životinje, što može biti odbrambeni mehanizam pekarija. Kosa pekarija prilično dobro odolijeva kompresiji, ali ne podnosi istezanje.
Shvativši strukturne karakteristike dlake različitih životinja, kao i njihove vrste oštećenja zbog napetosti, naučnici su počeli da opisuju mehanička svojstva.
Slika br. 8: dijagram deformacije za svaki tip kose i dijagram eksperimentalne postavke za dobijanje podataka (brzina deformacije 10-2 s-1).
Kao što se može vidjeti iz gornjeg grafikona, odgovor na rastezanje dlake različitih životinjskih vrsta bio je prilično različit. Tako je dlaka osobe, konja, vepra i medvjeda pokazala reakciju sličnu reakciji vune (ne tuđe, već tekstilnog materijala).
Pri relativno visokom modulu elastičnosti od 3.5–5 GPa, krive se sastoje od linearnog (elastičnog) područja, praćenog platoom sa polagano rastućim naprezanjem do deformacije od 0.20–0.25, nakon čega se brzina stvrdnjavanja značajno povećava do deformacija loma od 0.40. Područje platoa se odnosi na opuštanje а- spiralna struktura keratinskih intermedijarnih filamenata, koja se u nekim slučajevima može (djelomično) transformirati u b-limovi (ravne konstrukcije). Potpuno odmotavanje dovodi do deformacije od 1.31, što je znatno više nego na kraju ove faze (0.20–0.25).
Dio strukture u obliku kristalne niti okružen je amorfnom matricom koja se ne transformira. Amorfni dio čini oko 55% ukupne zapremine, ali samo ako je prečnik međufilamenata 7 nm i da su razdvojeni sa 2 nm amorfnog materijala. Ovakvi precizni pokazatelji su izvedeni u prethodnim studijama.
U fazi stvrdnjavanja deformacije dolazi do klizanja između kortikalnih vlakana, kao i između manjih strukturnih elemenata kao što su mikrofibrili, srednji filamenti i amorfni matriks.
Dlake žirafe, slona i pekarija pokazuju relativno linearnu reakciju stvrdnjavanja bez jasne razlike između platoa i područja brzog stvrdnjavanja (vrhova). Modul elastičnosti je relativno nizak i iznosi oko 2 GPa.
Za razliku od drugih vrsta, dlaka kapibare pokazuje reakciju koju karakterizira brzo stvrdnjavanje kada se primjenjuju uzastopni naprezanja. Ovo zapažanje povezuje se s neobičnom strukturom dlake kapibare, tačnije s prisutnošću dva simetrična dijela i uzdužnog žlijeba između njih.
Već su provedene prethodne studije koje pokazuju da se Youngov modul (longitudinalni modul elastičnosti) smanjuje s povećanjem promjera dlake kod različitih životinjskih vrsta. Ovi radovi su primijetili da je Youngov modul pekarija znatno niži nego kod drugih životinja, što može biti posljedica poroznosti njegove strukture dlake.
Zanimljivo je i to da pekari imaju i crne i bijele površine na kosi (dvobojne). Zatezni prekidi se najčešće javljaju u bijelom dijelu kose. Povećana otpornost crnog područja je zbog prisustva melanosoma, koji se nalaze isključivo u crnoj kosi.
Sva ova zapažanja su zaista jedinstvena, ali ostaje glavno pitanje: igraju li dimenzije kose ulogu u njenoj snazi?
Ako opišemo dlaku kod sisara, možemo istaknuti glavne činjenice koje su poznate istraživačima:
- kod većine tipova kose je deblji u središnjem dijelu i sužava se prema kraju; Krzno divljih životinja je deblje zbog njihovog staništa;
- Varijacije u promjeru dlaka jedne vrste ukazuju na to da debljina većine dlaka varira unutar općeg raspona debljine za datu životinjsku vrstu. Debljina dlaka može se razlikovati između različitih predstavnika iste vrste, ali još uvijek nije poznato šta utječe na ovu razliku;
- Različite vrste sisara imaju različite debljine dlake (koliko god to kliše zvučalo).
Sumirajući ove javno dostupne činjenice i podatke dobijene tokom eksperimenata, naučnici su uspjeli uporediti sve rezultate kako bi formirali vezu između debljine kose i njene snage.
Slika br. 9: odnos između debljine dlake i njene snage kod različitih životinjskih vrsta.
Zbog razlika u prečniku kose i rastegljivosti, naučnici su odlučili da vide da li se njihova vlačna naprezanja mogu predvideti na osnovu Weibullove statistike, koja može posebno da objasni razlike u veličini uzorka i rezultirajućoj veličini defekta.
Pretpostavlja se da je segment kose sa volumenom V sastoji se od n elemente zapremine i svaku jedinicu zapremine V0 ima sličnu distribuciju nedostataka. Koristeći pretpostavku najslabije karike, na datom nivou napona σ vjerovatnoća P održavanje integriteta datog segmenta kose uz volumen V može se izraziti kao proizvod dodatnih vjerovatnoća održavanja integriteta svakog od elemenata zapremine, i to:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
gdje je volumen V sadrži n volumenskih elemenata V0. Kako napon raste P(V) prirodno opada.
Koristeći dvoparametarsku Weibullovu distribuciju, vjerovatnoća kvara cijelog volumena može se izraziti kao:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · ((σ/σ0)m]
gdje σ — primijenjeni napon, σ0 je karakteristična (referentna) snaga, i m — Weibullov modul, koji je mjera varijabilnosti svojstava. Vrijedi napomenuti da se vjerovatnoća uništenja povećava s povećanjem veličine uzorka V pri konstantnom naponu σ.
Na grafikonu 9A Prikazana je Weibullova distribucija eksperimentalnih napona loma za ljudsku kosu i kosu kapibare. Krivulje za druge vrste su predviđene pomoću formule #2 sa istom vrijednošću m kao za ljudsku kosu (m = 0.11).
Prosječni korišteni prečnici su bili: vepar - 235 µm, konj - 200 µm, pekari - 300 µm, medvjed - 70 µm, dlaka slona - 345 µm i žirafa - 370 µm.
Na osnovu činjenice da se prekidni napon može odrediti na P(V) = 0.5, ovi rezultati pokazuju da se naprezanje loma smanjuje s povećanjem promjera dlake među vrstama.
Na grafikonu 9B pokazuje predviđena naprezanja lomljenja sa 50% vjerovatnoćom kvara (P(V) = 0.5) i prosječni eksperimentalni prekidni napon za različite vrste.
Postaje jasno da kako se promjer dlake povećava sa 100 na 350 mm, njen napon lomljenja opada sa 200-250 MPa na 125-150 MPa. Rezultati simulacije Weibullove distribucije se odlično slažu sa stvarnim rezultatima posmatranja. Jedini izuzetak je dlaka pekarija jer je izuzetno porozna. Stvarna snaga dlake pekarija je niža od one koju pokazuje Weibullov model distribucije.
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate и za njega.
Epilog
Glavni zaključak gornjih zapažanja je da gusta kosa nije ekvivalent jakoj kosi. Istina, kako sami naučnici kažu, ova izjava nije otkriće milenijuma, jer su slična zapažanja napravljena prilikom proučavanja metalne žice. Poenta ovdje nije čak ni u fizici, mehanici ili biologiji, već u statistici – što je objekt veći, veći je prostor za defekte.
Naučnici vjeruju da će rad koji smo danas pregledali pomoći njihovim kolegama u stvaranju novih sintetičkih materijala. Glavni problem je što uprkos razvoju modernih tehnologija, oni još nisu u stanju da naprave nešto poput ljudske ili slonove dlake. Na kraju krajeva, stvaranje nečeg tako malog već je izazov, a da ne spominjemo njegovu složenu strukturu.
Kao što vidimo, ova studija je pokazala da nije samo paukova svila vrijedna pažnje naučnika kao inspiracija za buduće ultra-jake i ultralagane materijale, već i ljudska kosa može iznenaditi svojim mehaničkim svojstvima i neverovatnom snagom.
Hvala na čitanju, ostanite radoznali i ugodnu sedmicu momci. 🙂
Neke reklame 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivih sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, , jedinstveni analog servera početnog nivoa, koji smo mi izmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji u Equinix Tier IV data centru u Amsterdamu? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com