Vlasy pro moderního člověka nejsou více než prvkem vizuální sebeidentifikace, součástí image a vzhledu. Přesto mají tyto rohové útvary kůže několik důležitých biologických funkcí: ochranu, termoregulaci, hmat a další. Jak silné jsou tedy naše vlasy? Jak se ukazuje, jsou několikrát silnější než vlasy slona nebo žirafy.
Dnes se seznámíme se studií, ve které vědci z Kalifornské univerzity (USA) rozhodli prozkoumat, jak souvisí tloušťka vlasu a jeho pevnost u různých druhů zvířat včetně člověka. Čí vlasy se ukázaly jako nejpevnější, jaké mechanické vlastnosti mají vlasy různých druhů a jak může tato studie pomoci při vývoji nových typů materiálů? O tom se dozvíme z přednášky vědců. Pojďme na to.
Základ výzkumu
Vlasy, které se většinou skládají z bílkoviny keratinu, jsou rohové útvary kůže savců. Ve skutečnosti jsou vlasy, srst a kožich synonymy. Z pohledu struktury se vlasy skládají z plátků keratinu, které se na sebe kladou jako spadlé kostky domina. Každý vlas má tři vrstvy: kutikulu — vnější a ochrannou vrstvu; kortex — kůrovou látku skládající se z prodloužených mrtvých buněk (důležitou pro pevnost a elasticitu vlasu, určuje jeho barvu díky melaninu) a medullární látku — centrální vrstvu vlasu, která se skládá z měkkých keratinových buněk a vzduchových dutin, jež se podílejí na přenosu živin do ostatních vrstev.
Pokud vlas rozdělíme vertikálně, získáme nadkožní část (stonk) a podkožní (folikul nebo kořen). Folikul je obklopen, jehož tvar závisí na tvaru samotného vlasu: kulatý folikul — rovný, oválný folikul — mírně zvlněný, pupenový folikul — kudrnatý.
Mnozí vědci se domnívají, že technologický pokrok mění evoluci člověka. To znamená, že některé orgány a struktury v našem těle postupně ztrácejí svou funkci — stávají se rudimentárními. Mezi takové části těla patří zuby moudrosti, apendix a vlasy. Jinými slovy, vědci se domnívají, že v průběhu času tyto struktury prostě zmizí z naší anatomie. Ať už je to pravda či nikoli, těžko říct, ale pro mnohé lidi jsou zuby moudrosti například spojeny s návštěvou zubaře kvůli jejich nevyhnutelnému odstranění.
Ať už to je jakkoli, vlasy jsou pro člověka potřeba, možná už nehraje zásadní roli v termoregulaci, ale v estetice zůstávají nedílnou součástí. Totéž lze říci o světové kultuře. V mnoha zemích byly vlasy po staletí považovány za zdroj síly, a jejich ostříhání bylo spojováno s možnými zdravotními problémy a dokonce neúspěchy v životě. Sakrální význam vlasů se přenesl z šamanských rituálů starověkých kmenů k modernějším náboženstvím, dílům spisovatelů, malířů a sochařů. Zejména ženská krása byla často úzce spojena s tím, jak vypadaly nebo byly znázorněny (například na obrazech) vlasy jemných dam.
Všimněte si, jak detailně jsou znázorněny vlasy Venuše (Sandro Botticelli, „Zrození Venuše“, 1485).
Odstavme kulturní a estetický aspekt vlasů a pojďme se podívat na výzkum vědců.
Vlasy, v nějaké podobě, existují u mnoha druhů savců. Pokud nejsou pro člověka již z biologického hlediska tolik důležité, pro ostatní živočišné druhy je srst a kožešina životně důležité atributy. Přitom se základní struktura lidského vlasu a například sloního velmi podobá, i když jsou zde rozdíly. Nejvíce patrné z nich jsou rozměry, neboť vlasy slona jsou mnohem silnější než naše, ale jak se ukázalo, nejsou odolnější.
Vědci se už dlouho zabývají vlasy a srstí. Výsledky těchto prací se uplatnily jak v kosmetologii a medicíně, tak i v lehkém průmyslu (nebo jak by řekla známá Kalugina L.P.: „lehounkém průmyslu“), a to konkrétně v textilním. Kromě toho studium vlasů značně pomohlo při vývoji biomateriálů na bázi keratinu, který se na začátku minulého století začal izolovat z rohů zvířat pomocí vápna.
Získaný keratin se použil k výrobě gelů, které bylo možné zpevnit přidáním formaldehydu. Později se naučili izolovat keratin nejen z rohů zvířat, ale také z jejich srsti a z lidských vlasů. Látky na bázi keratinu našly své uplatnění v kosmetice, kompozitech a dokonce i v potahování tablet.
V dnešní době se rychle rozvíjí odvětví zkoumání a výroby pevných a lehkých materiálů. Vlasy, jakožto takové od přírody, jsou jedním z přírodních materiálů, které inspirují k těmto výzkumům. Jaké je například mezera pro pevnost v tahu srsti a lidských vlasů, která se pohybuje od 200 do 260 MPa, což odpovídá speciální pevnosti 150-200 MPa / mg m-3. To je téměř srovnatelné se železem (250 MPa / mg m-3).
Hlavní roli v utváření mechanických vlastností vlasů hraje jejich hierarchická struktura, která připomíná matrjošku. Nejvýznamnějším prvkem této struktury je vnitřní kortex z kortikálních buněk (průměr asi 5 μm, délka 100 μm), které se skládají ze skupinovaných makrofibril (průměr asi 0,2-0,4 μm), které se zase skládají z mezifilamentů (7,5 nm v průměru) vložených do amorfní matice.
Mechanické vlastnosti vlasů, jejich citlivost na teplotu, vlhkost a deformaci jsou přímým výsledkem interakce amorfních a krystalických složek kortexu. Keratinová vlákna kortexu lidských vlasů obvykle vykazují vysokou schopnost natažení, přičemž při přetržení mají deformaci více než 40%.
Toto vysoké hodnota je způsobena rozvinutím struktury Více než 40 000 klientů v 120+ zemích-keratinu a v některých případech jeho transformací na b-keratin, což vede k prodloužení (úplný obrat spirály 0,52 nm se natáhne na 1,2 nm v konfiguraci b). To je jedna z hlavních příčin, proč se řada studií zaměřila na keratin, aby jej znovu vytvořila v syntetické formě. Vnější vrstva vlasů (kutikula), jak již víme, se skládá z destiček (o tloušťce 0,3–0,5 μm a délce 40–60 μm).
Dříve vědci již zkoumali mechanické vlastnosti vlasů lidí různého věku a etnických skupin. V této práci byl však důraz položen na studium rozdílu mechanických vlastností vlasů různých druhů zvířat, konkrétně: člověk, kůň, medvěd, divočák, kapybara, pekari, žirafa a slon.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1: morfologie lidského vlasu (A — kutikula; V — zlomenina kortexu; ukazující konce vláken, S — plocha zlomeniny, kde jsou vidět tři vrstvy; DDoS — laterální plocha kortexu, ukazující natažení vlákna).
Vlas dospělého člověka má průměr kolem 80-100 μm. Při normální péči o vlasy vypadá jejich vzhled relativně celistvě (1A). Vnitřním komponentem lidských vlasů je fibrilární kortex. Po zkoušce na tah bylo zjištěno, že kutikula a kortex lidských vlasů se lámou různě: kutikula obvykle praská abrasivně (drolení), zatímco keratinová vlákna v kortexu byla odloupnuta a vytáhnuta z celkové struktury (1A).
Na snímku 1B je zřetelně viditelný křehký povrch kutikuly s vizualizací vrstev, které tvoří překrývající se destičky kutikuly o tloušťce 350–400 nm. Pozorované odloupnutí na povrchu zlomeniny, stejně jako křehká povaha tohoto povrchu, ukazují slabé mezifázové spojení mezi kutikulou a kortexem, stejně jako mezi vlákny uvnitř kortexu.
Keratinová vlákna v kortexu byla odloupnuta (1C). To naznačuje, že fibrilární kortex je především zodpovědný za mechanickou pevnost vlasu.
Obrázek č. 2: morfologie koňských vlasů (A — kutikula, některé destičky jsou mírně nakloněny kvůli nedostatečné péči; V — vzhled zlomeniny; S — detaily zlomeniny kortexu, kde je viditelná odloupnutá kutikula; DDoS — detaily kutikuly).
Struktura koňských vlasů je podobná lidským, s výjimkou průměru, který je o 50 % větší (150 μm). Na snímku 2A je možné vidět zjevné poškození kutikuly, kde jsou mnohé destičky méně těsně spojeny s vláknem než u lidských vlasů. Místo zlomu koňských vlasů obsahuje jak běžný zlomený konec, tak i roztrhnuté vlasy (odštěpení destiček kutikuly). Na 2V jsou viditelné obě varianty poškození. Na místech, kde se destičky úplně odtrhly, je vidět rozhraní mezi kutikulou a kortexem (2C). Několik vláken bylo vytrženo a rozštěpeno v oblasti rozhraní. Porovnáním těchto pozorování s předchozími (u lidských vlasů) podobné destrukce naznačují, že vlasy koně nebyly vystaveny stejnému silnému napětí jako lidské vlasy, když byla vlákna v kortexu napnuta a zcela odloučena od kutikuly. Také je vidět, že některé destičky se oddělily od vlákna, což může být spojeno se napětím v tahu (2D).
Obrázek č. 3: morfologie medvědího vlasu (A — kutikula; V — poškození na dvou místech spojených s oblastí zlomu; S — praskání kutikuly s odštěpením vláken v kortexu; DDoS — detaily struktury vláken, viditelné některé protažené vlákna z celkové struktury).
Tloušťka medvědího vlasu činí 80 μm. Destičky kutikuly jsou extrémně pevně spojeny k sobě (3A), a v některých místech lze obtížně rozeznat jednotlivé destičky. To může souviset s třením vlasu o sousední. Při tahovém napětí se tyto vlasy doslova rozdělily s objevujícími se dlouhými prasklinami (vložka na 3B), což naznačuje, že při slabém vazebném efektu poškozené kutikuly se keratinová vlákna v kortexu snadno odštěpovala. Odštěpení kortexu způsobuje prasknutí kutikuly, což potvrzuje cik-cak vzor zlomu (3C). Toto napětí vede k vytahování některých vláken z kortexu (3D).
Obrázek č. 4: morfologie vlasu divočáka (A — běžný plochý zlomek vlasu; V — struktura kutikuly ukazuje špatný stav integrity (skupinovosti) destiček; S — detaily zlomu na rozhraní mezi kutikulou a kortexem; DDoS — vlákna vytažená z celkové hmoty a vyčnívající fibrily).
Vláknům divočáka je dostatečně silné (230 μm), zejména v porovnání s medvědími. Zlomenina vlasů divočáka při poškození vypadá dost zřetelně (4A) kolmo k směru napětí při tahu.
Relativně malé odhalené destičky kutikuly byly odtrženy od hlavního těla vlasu v důsledku napětí jejich okrajů (4B).
Na povrchu oblasti zlomu je jasně vidět roztržení vláken, také je vidět, že byly velmi těsně spojeny uvnitř kortexu (4С). Pouze vlákna na rozhraní mezi kortexem a kutikulou byla odhalena v důsledku oddělení (4D), což odhalilo přítomnost silných fibril kortexu (250 nm v průměru). Některé z fibril mírně vyčnívaly ven v důsledku deformace. Předpokládá se, že slouží jako zpevnění vlasů divočáka.
Obrázek č. 5: morfologie vlasů slona (A — S) a žirafy (DDoS — F). A — kutikula; V — stupňovité zlomy vlasu; S — dutiny uvnitř vlasu ukazují, kde byla vytržena vlákna. DDoS — kutikulární destičky; E — rovný zlomek vlasu; F — vlákna vytržená z povrchu v oblasti zlomu.
Vlas sloníka může mít průměr kolem 330 µm, zatímco u dospělého dosahuje 1.5 mm. Destičky na povrchu jsou obtížně rozpoznatelné (5А). Vlas slona je také náchylný k normálnímu rozlomu, tj. k čistému zlomu při tahu. Přičemž morfologie povrchu zlomu ukazuje na stupňovitý vzhled (5В), což může být způsobeno přítomností drobných defektů v kortexu vlasu. Na povrchu zlomu je také možné vidět některé malé otvory, kde před poškozením pravděpodobně byly zpevňující fibrily (5С).
U žirafy jsou vlasy také dost silné (370 µm), přičemž uspořádání destiček kutikuly není tak jasné (5D). To se považuje za důsledek poškození různými faktory životního prostředí (např. tření o stromy během krmení). I přes rozdíly je zlomení vlasu u žirafy podobné zlomení u slona (5F).
Obrázek č. 6: morfologie vlasu kapybary (A — dvojitá kutikulární struktura destiček; V — roztržení dvojité struktury; S — vlákna poblíž hranice roztržení se zdají křehká a tvrdá; DDoS — protáhlá vlákna ze zóny roztržení dvojité struktury).
Vlasy kapybary a pekari se od všech ostatních zkoumaných vlasů liší. U kapybary je hlavním rozdílem přítomnost dvojité konfigurace kutikuly a oválný tvar vlasu (6А). Drážka mezi dvěma zrcadlovými částmi vlasů je nezbytná pro rychlejší odstraňování vody z srsti zvířete, a také pro lepší ventilaci, což umožňuje rychlejší vysušení. Při působení napětí se vlasy dělí na dvě části podél drážky, a každá z částí se ničí (6B). Mnoho vláken kortexu se odlupuje a vytahuje (6C a 6D).
Obrázek č. 7: morfologie vlasu pekari (A — struktura kutikuly a místo prasknutí; V — morfologie destrukce kortexu a detaily její struktury; S — uzavřené buňky (20 µm v průměru), jejichž stěny se skládají z vláken; DDoS — stěny buněk).
U pekari (rodina Tayassuidae, tj. pekarijní) mají vlasy porézní kortex, a vrstva kutikuly nemá jasné destičky (7A). Kortex vlasu obsahuje uzavřené buňky o velikosti 10-30 µm (7B), jejichž stěny se skládají z keratinových vláken (7C). Tyto stěny jsou dostatečně porézní a velikost jednoho pórů činí přibližně 0,5-3 µm (7D).
Jak je vidět na snímku 7A, bez podpory vláknitého kortexu se kutikula trhá podél linie prasknutí a vlákna se na některých místech natahují. Taková struktura vlasu je nezbytná k tomu, aby vlasy byly více vertikální, vizuálně zvětšujíc velikost zvířete, což může být ochranný mechanismus pekari. Vlasy pekari dobře odolávají stlačení, ale s natažením si neporadí.
Poté, co se vědci zabývali strukturálními vlastnostmi vlasů různých zvířat a jejich typy poškození způsobeného napětím, přešli k popisu mechanických vlastností.
Obrázek č. 8: diagram deformace pro každý z typů vlasů a schéma experimentálního zařízení pro získání dat (rychlost deformace 10-2 s-1).
Jak je vidět z výše uvedeného grafu, reakce na napětí u vlasů různých druhů zvířat byla značně odlišná. Vlasy člověka, koně, divočáka a medvěda vykazovaly reakci podobnou reakci srsti (ne čištění, ale textilního materiálu).
Při relativně vysokém modulu pružnosti, který činí 3,5–5 GPa, křivky sestávají z lineární (pružné) oblasti, za níž následuje plateau s pomalu rostoucím napětím až do deformace 0,20–0,25, po čemž rychlost zpevnění významně vzrůstá až do deformace porušení 0,40. Oblast plateau se vztahuje k rozvinování. Více než 40 000 klientů v 120+ zemích-spirální struktury keratinových mezifilamentů, které se v některých případech mohou (částečně) měnit na b-listy (ploché struktury). Úplné rozvinutí však vede k deformaci 1,31, což je výrazně více než na konci této fáze (0,20–0,25).
Krystalická vláknitá část struktury je obklopena amorfní maticí, která se nemění. Amorfní část tvoří přibližně 55 % celkového objemu, avšak pouze za podmínky, že průměr mezivláken je 7 nm a že jsou oddělena amorfním materiálem na 2 nm. Takové přesné hodnoty byly odvozeny v dříve provedených výzkumech.
Ve fázi deformace, charakterizované zpevněním, dochází k klouzání mezi kortikálními vlákny, a také mezi menšími strukturálními prvky, jako jsou mikrovlákna, mezivlákenné struktury a amorfní matice.
Vlny žirafy, slona a pekariho vykazují relativně lineární reakci na zpevnění bez jasného rozlišení mezi plošinou a oblastmi rychlého zpevnění (maxima). Modul pružnosti je relativně nízký a činí přibližně 2 GPa.
Na rozdíl od jiných druhů, vlasy kapybary vykazují reakci charakterizovanou rychlým zpevněním, na které se kladou postupná napětí. Toto pozorování souvisí s neobvyklou strukturou vlasu kapybary, přesněji s přítomností dvou symetrických částí a podélného žlábku mezi nimi.
Dříve byly provedeny studie, které naznačovaly, že Youngův modul (modul podélné pružnosti) se s rostoucím průměrem vlasu u různých druhů zvířat snižuje. V těchto pracích bylo uvedeno, že Youngův modul u pekariho je výrazně nižší než u ostatních zvířat, což může souviset s porézností struktury jeho vlasů.
Zajímavé je také to, že u pekariho existují jak černé, tak bílé oblasti na vlasech (dvoubarevnost). Přetržení při napínání se obvykle vyskytuje právě v bílé oblasti vlasu. Zvýšená odolnost černé oblasti je vysvětlena přítomností melanocytů, které se vyskytují výhradně v černých vlasech.
Všechny tyto pozorování jsou skutečně jedinečné, ale zůstává hlavní otázka — hrají rozměry vlasu roli v jeho pevnosti?
Pokud popisujeme vlasy savců, můžeme vyzdvihnout hlavní fakta, která jsou vědcům známa:
- u většiny druhů jsou vlasy silnější ve střední části a směrem ke konci se zužují; srst divokých zvířat je silnější kvůli prostředí, ve kterém žijí;
- změny průměru chlupů jednoho druhu ukazují, že tloušťka většiny chlupů kolísá v rámci celkového rozmezí tloušťky pro daný druh zvířete. Tloušťka chlupů se může u různých jedinců jednoho druhu lišit, avšak co tuto odlišnost ovlivňuje, zatím není známo;
- u různých druhů savců je různá tloušťka chlupů (jak banálně to může znít).
Shrnutím těchto veřejně dostupných faktů a dat získaných během experimentů byli vědci schopni porovnat všechny výsledky, aby vytvořili závislosti mezi tloušťkou chloupku a jeho pevností.
Obrázek č. 9: vztah mezi tloušťkou chloupku a jeho pevností u různých druhů zvířat.
Vzhledem k rozdílům v průměru a elastických vlastnostech chlupů se vědci rozhodli zjistit, zda lze předpovědět jejich napětí při přetržení na základě Weibullovy statistiky, která může konkrétně zohlednit rozdíly ve velikosti vzorku a výsledné velikosti defektu.
Předpokládá se, že segment chloupku s objemem V se skládá z n objemových elementů, přičemž každý jednotlivý objem V0 má obdobné rozložení defektů. Použitím předpokladu o nejslabším článku, při dané úrovni napětí σ pravděpodobnost redicted Frame) zachování integrity daného segmentu chloupku s objemem V může být vyjádřena jako součin dalších pravděpodobností zachování integrity každého z objemových elementů, a to:
redicted Frame)(V) = redicted Frame)(V0) · redicted Frame)(V0)… · redicted Frame)(V0) = · redicted Frame)(V0)n
kde objem V obsahuje n objemových elementů V0. Při zvyšování napětí redicted Frame)(V) se přirozeně snižuje.
Použitím dvoupodílového Weibullova rozdělení může být pravděpodobnost zničení celého objemu vyjádřena jako:
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
kde σ — aplikované napětí, σ0 — charakteristická (referenční) pevnost, a m — Weibullův modul, který je mírou variability vlastností. Je třeba poznamenat, že pravděpodobnost zničení se zvyšuje se zvyšujícím se objemem vzorku V při konstantním napětí σ.
Na grafu 9A Bylo zobrazeno rozdělení Weibullových experimentálních destruktivních napětí pro lidské a kapybarí vlasy. Křivky pro jiné druhy byly předpovězeny pomocí vzorce č. 2 se stejnými hodnotami m, jako pro lidské vlasy (m = 0.11).
Jako průměrný průměr byly použity: divočák — 235 μm, kůň — 200 μm, pekari — 300 μm, medvěd — 70 μm, sloní vlasy — 345 μm a žirafa — 370 μm.
Vycházející z toho, že destruktivní napětí může být určeno při redicted Frame)(V) = 0.5, tyto výsledky ukazují, že destruktivní napětí klesá s rostoucím průměrem vlasů u různých druhů.
Na grafu 9V jsou zobrazeny předpovězené přetržení napětí při 50% pravděpodobnosti destrukce (redicted Frame)(V) = 0.5) a průměrné experimentální přetržení napětí pro různé druhy.
Je jasné, že s nárůstem průměru vlasů od 100 do 350 mm klesá jeho destruktivní napětí z 200–250 MPa na 125–150 MPa. Výsledky modelování Weibullova rozdělení výborně odpovídají výsledkům skutečných pozorování. Jedinou výjimkou jsou vlasy pekari, protože jsou velmi porézní. Skutečná pevnost vlasů pekari je nižší, než ukázalo modelování Weibullovým rozdělením.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
Hlavním závěrem výše uvedených pozorování je, že silné vlasy neznamenají pevné vlasy. Pravda, jak říkají sami vědci, toto tvrzení není objev století, jelikož podobné pozorování byla učiněna i při studiu kovového drátu. O co tu jde, není ani fyzika, mechanika nebo biologie, ale statistika — čím větší je objekt, tím větší prostor pro defekty.
Vědci věří, že dnešní studium pomůže jejich kolegům vytvořit nové syntetické materiály. Hlavním problémem je to, že i přes vyspělost moderních technologií zatím nejsou schopny vytvořit něco podobného lidským nebo sloním vlasům. Vytvořit něco tak malého je už výzvou, nemluvě o jeho složité struktuře.
Jak vidíme, tato studie ukázala, že nejen pavoučí hedvábí zasluhuje pozornost vědců jako inspiraci pro budoucí superpevné a superlehké materiály, ale také lidské vlasy dokáží ohromit svými mechanickými vlastnostmi a úžasnou pevností.
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvědaví a všem přeji dobrý pracovní týden, kluci. 🙂
Malá reklama 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, , unikátní alternativa entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd je dvakrát levnější v datovém centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
