Vlasy pro moderního člověka nejsou ničím jiným než prvkem vizuální sebeidentifikace, součástí obrazu a obrazu. Přesto mají tyto zrohovatělé útvary kůže několik důležitých biologických funkcí: ochranu, termoregulaci, dotyk atd. Jak silné jsou naše vlasy? Jak se ukázalo, jsou mnohonásobně silnější než sloní nebo žirafí chlupy.
Dnes se seznámíme se studií, ve které se vědci z Kalifornské univerzity (USA) rozhodli otestovat, jak tloušťka srsti a její síla koreluje u různých živočišných druhů, včetně člověka. Čí vlasy jsou nejsilnější, jaké mechanické vlastnosti mají různé typy vlasů a jak může tento výzkum pomoci vyvinout nové typy materiálů? Dozvídáme se o tom ze zprávy vědců. Jít.
Výzkumná základna
Vlasy, sestávající z velké části z proteinu keratinu, jsou zrohovatělou formací savčí kůže. Ve skutečnosti jsou vlasy, vlna a srst synonyma. Struktura vlasů se skládá z keratinových plátů, které se navzájem překrývají, jako domino padající na sebe. Každý vlas má tři vrstvy: kutikula je vnější a ochranná vrstva; kůra - kůra, sestávající z protáhlých mrtvých buněk (důležité pro pevnost a pružnost vlasu, určuje jeho barvu díky melaninu) a dřeně - centrální vrstva vlasu, sestávající z měkkých keratinových buněk a vzduchových dutin, která je podílí se na přenosu živin do jiných vrstev.
Pokud je vlas rozdělen vertikálně, získáme podkožní část (dřík) a podkožní část (cibulku nebo kořen). Cibulka je obklopena folikulem, jehož tvar určuje tvar samotného vlasu: kulatý folikul je rovný, oválný je mírně kudrnatý, ledvinovitý folikul je kudrnatý.
Mnoho vědců naznačuje, že lidská evoluce se mění v důsledku technologického pokroku. To znamená, že některé orgány a struktury v našem těle se postupně stávají rudimentárními - těmi, které ztratily svůj zamýšlený účel. Tyto části těla zahrnují zuby moudrosti, slepé střevo a tělesné ochlupení. Jinými slovy, vědci věří, že časem tyto struktury z naší anatomie prostě zmizí. Jestli je to pravda nebo ne, těžko říct, ale pro mnoho obyčejných lidí jsou například zuby moudrosti spojeny s návštěvou zubaře pro jejich nevyhnutelné odstranění.
Ať je to jak chce, vlasy člověk potřebuje, možná už nehrají zásadní roli v termoregulaci, ale stále jsou nedílnou součástí estetiky. Totéž lze říci o světové kultuře. V mnoha zemích byly od nepaměti vlasy považovány za zdroj veškeré síly a jejich stříhání bylo spojeno s možnými zdravotními problémy a dokonce i životními neúspěchy. Posvátný význam vlasů migroval ze šamanských rituálů starověkých kmenů do modernějších náboženství, děl spisovatelů, umělců a sochařů. Zejména ženská krása často úzce souvisela s tím, jak vypadaly nebo byly zobrazovány vlasy milých dam (například na obrazech).
Všimněte si, jak detailně jsou zobrazeny vlasy Venuše (Sandro Botticelli, „Zrození Venuše“, 1485).
Ponechme stranou kulturní a estetickou stránku vlasů a začněme uvažovat o výzkumu vědců.
Vlasy, v té či oné formě, jsou přítomny u mnoha druhů savců. Jestliže pro člověka již nejsou z biologického hlediska tak důležité, pak pro ostatní zástupce zvířecího světa jsou vlna a srst životně důležitými atributy. Lidské vlasy a například sloní jsou si přitom svou základní strukturou velmi podobné, i když rozdíly existují. Nejzřetelnější z nich jsou rozměry, protože sloní srst je mnohem silnější než naše, ale jak se ukázalo, ne silnější.
Vědci studují vlasy a vlnu už nějakou dobu. Výsledky těchto prací byly implementovány jak v kosmetologii a medicíně, tak v lehkém průmyslu (nebo, jak by řekl známý Kalugina L.P.: „lehký průmysl“), přesněji v textilu. Studium vlasů navíc velmi pomohlo při vývoji biomateriálů na bázi keratinu, který se na začátku minulého století naučili izolovat ze zvířecích rohů pomocí vápna.
Takto získaný keratin byl použit k vytvoření gelů, které bylo možné zpevnit přidáním formaldehydu. Později se naučili izolovat keratin nejen ze zvířecích rohů, ale také z jejich srsti a také z lidských vlasů. Látky na bázi keratinu našly své využití v kosmetice, kompozitech a dokonce i v potahech tablet.
V současné době se průmysl studia a výroby odolných a lehkých materiálů rychle rozvíjí. Vlasy jsou přirozeně jedním z přírodních materiálů, které inspirují tento druh výzkumu. Uvažujme pevnost v tahu vlny a lidských vlasů, která se pohybuje od 200 do 260 MPa, což odpovídá specifické pevnosti 150-200 MPa/mg m-3. A to je téměř srovnatelné s ocelí (250 MPa / mg m-3).
Hlavní roli při utváření mechanických vlastností vlasů hraje jejich hierarchická struktura, připomínající matrjošku. Nejdůležitějším prvkem této struktury je vnitřní kůra kortikálních buněk (průměr asi 5 μm a délka 100 μm), skládající se ze seskupených makrofibril (průměr asi 0.2–0.4 μm), které se zase skládají z mezilehlých vláken (7.5 nm v průměru ), zapuštěné do amorfní matrice.
Mechanické vlastnosti vlasu, jeho citlivost na teplotu, vlhkost a deformaci jsou přímým výsledkem interakce amorfní a krystalické složky kůry. Keratinová vlákna kůry lidského vlasu mají typicky vysokou tažnost, s napětím v tahu více než 40 %.
Tak vysoká hodnota je způsobena odvíjením konstrukce а-keratin a v některých případech jeho přeměna na b-keratin, což vede ke zvýšení délky (plná otáčka šroubovice 0.52 nm je v konfiguraci natažena na 1.2 nm b). To je jeden z hlavních důvodů, proč se mnoho studií zaměřilo konkrétně na keratin, aby jej znovu vytvořily v syntetické formě. Ale vnější vrstva vlasu (kutikula), jak již víme, se skládá z destiček (0.3–0.5 mikronu tlusté a 40–60 mikronů dlouhé).
Již dříve vědci provedli výzkum mechanických vlastností vlasů lidí z různých věkových a etnických skupin. V této práci byl kladen důraz na studium rozdílů v mechanických vlastnostech srsti různých živočišných druhů, a to: lidí, koní, medvědů, divokých prasat, kapybar, pekariů, žiraf a slonů.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1: Morfologie lidských vlasů (А - kůžička; В - zlomenina kůry; ukazující konce vláken, С — povrch zlomu, kde jsou viditelné tři vrstvy; D - boční povrch kůry, vykazující prodloužení vláken).
Dospělý lidský vlas má průměr asi 80-100 mikronů. Při běžné péči o vlasy je jejich vzhled celkem holistický (1А). Vnitřní složkou lidského vlasu je vazivová kůra. Po zkoušce tahem bylo zjištěno, že kutikula a kůra lidského vlasu se lámaly odlišně: kutikula se typicky lámala abrazivně (mačkávala) a keratinová vlákna v kůře se odlupovala a vytahovala z celkové struktury (1V).
Na obrázku 1S křehký povrch kutikuly je dobře viditelný s vizualizací vrstev, které jsou překrývajícími se kutikulovými destičkami a mají tloušťku 350–400 nm. Pozorovaná delaminace na povrchu lomu, stejně jako křehká povaha tohoto povrchu, ukazuje na slabou mezifázovou komunikaci mezi kutikulou a kůrou a mezi vlákny uvnitř kůry.
Keratinová vlákna v kortexu byla exfoliována (1D). To naznačuje, že vazivová kůra je primárně zodpovědná za mechanickou pevnost vlasu.
Obrázek č. 2: Morfologie koňských žíní (А - kutikula, jejíž některé destičky jsou mírně vychýleny z důvodu nedostatečné péče; В - vzhled prasknutí; С — detaily ruptury kůry, kde je vidět natržená kutikula; D - detaily kůžičky).
Struktura koňské srsti je podobná lidské srsti, až na průměr, který je o 50 % větší (150 mikronů). Na obrázku 2А Můžete vidět zřejmé poškození kutikuly, kde mnoho plátů není tak těsně spojeno s dříkem, jako tomu bylo u lidských vlasů. Místo zlomu žíní obsahuje jak normální zlom, tak vlasový zlom (delaminace destiček kutikuly). Na 2V Oba typy poškození jsou viditelné. V oblastech, kde byly lamely zcela odtrženy, je viditelné rozhraní mezi kutikulou a kůrou (2S). Několik vláken bylo roztrženo a odlaminováno na rozhraní. Při porovnání těchto pozorování s předchozími pozorováními (lidské vlasy) taková selhání naznačují, že koňské chlupy nebyly vystaveny tak velkému stresu jako lidské vlasy, když byla vlákna v kortexu vytažena a zcela oddělena od kutikuly. Je také vidět, že některé desky se oddělily od tyče, což může být způsobeno tahovým napětím (2D).
Obrázek č. 3: Morfologie medvědí srsti (А - kůžička; В — poškození ve dvou bodech souvisejících s oblastí prasknutí; С — praskání kutikuly s delaminací vláken v kortexu; D - jsou vidět detaily struktury vláken, několik podlouhlých vláken z obecné struktury).
Tloušťka medvědího vlasu je 80 mikronů. Destičky kutikuly jsou k sobě extrémně pevně připojeny (3А), a v některých oblastech je dokonce obtížné jednotlivé desky rozlišit. To může být způsobeno třením vlasů o sousední. Při namáhání tahem se tyto chloupky doslova rozštěpí s výskytem dlouhých prasklin (vložka na 3B), což naznačuje, že se slabým vazebným účinkem poškozené kutikuly byla keratinová vlákna v kortexu snadno delaminována. Delaminace kortexu způsobuje zlom na kutikule, o čemž svědčí klikatý vzor zlomu (3S). Toto napětí způsobuje vytažení některých vláken z kůry (3D).
Obrázek č. 4: morfologie kančí srsti (А - běžná plochá vlasová zlomenina; В — struktura kutikuly vykazuje špatný stav celistvosti (seskupení) destiček; С — detaily mezery na rozhraní mezi kutikulou a kůrou; D - vlákna protažená z celkové hmoty a vyčnívající fibrily).
Kančí srst je poměrně silná (230 mm), zvláště ve srovnání s medvědí srstí. Trhání kančích chlupů při poškození vypadá docela jasně (4А) kolmo ke směru tahového napětí.
Relativně malé exponované destičky kutikuly byly odtrženy od hlavního těla vlasu v důsledku natažení jejich okrajů (4V).
Na povrchu destrukční zóny je jasně viditelná delaminace vláken; je také zřejmé, že byla navzájem velmi těsně spojena uvnitř kůry (4S). Kvůli separaci byla obnažena pouze vlákna na rozhraní mezi kůrou a kutikulou (4D), která odhalila přítomnost silných kortikálních fibril (250 nm v průměru). Některé fibrily kvůli deformaci mírně vyčnívaly. Mají sloužit jako posilující prostředek pro kančí chlupy.
Obrázek č. 5: Morfologie sloní srsti (А - С) a žirafa (D - F). А - kůžička; В - postupné lámání vlasů; С - mezery uvnitř vlasu ukazují, kde byla vlákna vytržena. D - kutikulární destičky; Е - rovnoměrné lámání vlasů; F - vlákna odtržená od povrchu v oblasti lomu.
Srst slůněte může mít tloušťku asi 330 mikronů a u dospělého může dosáhnout 1.5 mm. Desky na povrchu je obtížné rozlišit (5А).Sloní chlupy jsou také náchylné k normálnímu rozpadu, tzn. k čistému tahovému lomu. Navíc morfologie lomové plochy vykazuje stupňovitý vzhled (5V), možná kvůli přítomnosti drobných defektů ve vlasové kůře. Některé malé otvory lze také vidět na povrchu lomu, kde se před poškozením pravděpodobně nacházely výztužné fibrily (5S).
Vlasy žirafy jsou také poměrně silné (370 mikronů), i když uspořádání destiček kutikuly není tak jasné (5D). Předpokládá se, že je to způsobeno jejich poškozením různými faktory prostředí (například tření o stromy během krmení). Navzdory rozdílům byla lámavost vlasů u žirafy podobná jako u slona (5F).
Obrázek č. 6: morfologie vlasů kapybary (А - dvojitá kutikulární struktura destiček; В — prasknutí dvojité konstrukce; С — vlákna v blízkosti hranice přetržení se zdají křehká a tuhá; D - prodloužená vlákna ze zóny přetržení dvojité struktury).
Vlasy kapybar a pekariů se liší od všech ostatních studovaných vlasů. U kapybary je hlavním rozdílem přítomnost dvojité konfigurace kutikuly a oválného tvaru vlasů (6А). Drážka mezi dvěma zrcadlovými částmi srsti je nezbytná pro rychlejší odstranění vody ze srsti zvířete a také pro lepší ventilaci, která umožňuje rychlejší vysychání. Když jsou vlasy vystaveny natahování, jsou rozděleny na dvě části podél drážky a každá část je zničena (6V). Mnoho vláken kůry je odděleno a nataženo (6S и 6D).
Obrázek č. 7: Morfologie pekariových vlasů (А - struktura kutikuly a místo ruptury; В — morfologie destrukce kůry a podrobnosti o její struktuře; С — uzavřené buňky (20 mikronů v průměru), jejichž stěny se skládají z vláken; D - buněčné stěny).
Pekariové (rodina Tayassuidae, tj. pekari) vlasy mají porézní kůru a vrstva kutikuly nemá výrazné destičky (7А). Vlasová kůra obsahuje uzavřené buňky o velikosti 10-30 mikronů (7V), jehož stěny se skládají z keratinových vláken (7S). Tyto stěny jsou poměrně porézní a velikost jednoho póru je asi 0.5-3 mikrony (7D).
Jak je vidět na obrázku 7А, bez podpory vazivového kortexu kutikula praská podél linie zlomu a vlákna jsou na některých místech vytahována. Tato struktura srsti je nezbytná k tomu, aby srst byla více svislá, čímž se vizuálně zvětšila velikost zvířete, což může být obranný mechanismus pro pekari. Peccary vlasy docela dobře odolávají kompresi, ale nezvládají natahování.
Poté, co vědci pochopili strukturální rysy vlasů různých zvířat, stejně jako jejich typy poškození v důsledku napětí, začali popisovat mechanické vlastnosti.
Obrázek č. 8: deformační diagram pro každý typ vlasu a diagram experimentálního uspořádání pro získání dat (rychlost deformace 10-2 s-1).
Jak je vidět z grafu výše, odezva na natahování srsti u různých živočišných druhů byla zcela odlišná. Vlasy člověka, koně, kance a medvěda tedy vykazovaly reakci podobnou reakci vlny (ne cizí, ale textilního materiálu).
Při relativně vysokém modulu pružnosti 3.5–5 GPa se křivky skládají z lineární (elastické) oblasti, po níž následuje plató s pomalu rostoucím napětím až do napětí 0.20–0.25, po kterém se rychlost tvrdnutí výrazně zvyšuje až do deformace při porušení 0.40. Plošinová oblast se týká odvíjení а-helikální struktura keratinových intermediálních filament, která se v některých případech mohou (částečně) přeměnit na b-plechy (ploché konstrukce). Úplné odvinutí vede k deformaci 1.31, která je výrazně vyšší než na konci této fáze (0.20–0.25).
Krystalická vláknitá část struktury je obklopena amorfní matricí, která se netransformuje. Amorfní část tvoří asi 55 % celkového objemu, ale pouze v případě, že průměr mezilehlých filamentů je 7 nm a že jsou odděleny 2 nm amorfního materiálu. Takové přesné ukazatele byly odvozeny v předchozích studiích.
Během fáze tuhnutí deformace dochází ke skluzu mezi kortikálními vlákny a také mezi menšími strukturními prvky, jako jsou mikrofibrily, intermediární filamenta a amorfní matrice.
Chlupy žiraf, slonů a pekariů vykazují relativně lineární odezvu tuhnutí bez jasného rozlišení mezi plošinami a oblastmi rychlého tvrdnutí (vrcholy). Modul pružnosti je relativně nízký a je asi 2 GPa.
Na rozdíl od jiných druhů vlasy kapybary vykazují odezvu charakterizovanou rychlým tvrdnutím, když jsou aplikovány po sobě jdoucí tlaky. Toto pozorování je spojeno s neobvyklou strukturou vlasů kapybary, přesněji s přítomností dvou symetrických částí a podélné rýhy mezi nimi.
Již byly provedeny předchozí studie, které ukazují, že Youngův modul (podélný modul pružnosti) klesá s rostoucím průměrem vlasů u různých druhů zvířat. Tyto práce zaznamenaly, že Youngův modul pekari je výrazně nižší než u jiných zvířat, což může být způsobeno porézností jeho vlasové struktury.
Je také zvláštní, že pekari mají na vlasech černé i bílé plochy (dvoubarevné). Tahové zlomy se nejčastěji vyskytují v bílé oblasti vlasů. Zvýšená odolnost černé oblasti je způsobena přítomností melanosomů, které se nacházejí výhradně v černých vlasech.
Všechna tato pozorování jsou skutečně unikátní, ale hlavní otázkou zůstává: hrají v pevnosti roli rozměry vlasů?
Pokud popíšeme vlasy u savců, můžeme zdůraznit hlavní fakta, která jsou vědcům známa:
- u většiny typů vlasů je ve střední části silnější a ke konci se zužuje; Srst divokých zvířat je hustší kvůli jejich stanovišti;
- Odchylky v průměru chlupů jednoho druhu ukazují, že tloušťka většiny chlupů se mění v rámci obecného rozmezí tloušťky pro daný živočišný druh. Tloušťka chlupů se může u různých zástupců stejného druhu lišit, ale co ovlivňuje tento rozdíl, je stále neznámé;
- Různé druhy savců mají různou tloušťku vlasů (jakkoli to může znít jako klišé).
Shrnutím těchto veřejně dostupných faktů a dat získaných během experimentů byli vědci schopni porovnat všechny výsledky a vytvořit vztahy mezi tloušťkou vlasů a jejich silou.
Obrázek č. 9: vztah mezi tloušťkou srsti a její silou u různých druhů zvířat.
Kvůli rozdílům v průměru vlasů a roztažitelnosti se vědci rozhodli zjistit, zda lze jejich tahová napětí předvídat na základě Weibullových statistik, které mohou konkrétně vysvětlit rozdíly ve velikosti vzorku a výsledné velikosti defektu.
Předpokládá se, že vlasový segment s objemem V состоит из n prvky objemu a každou jednotku objemu V0 má podobné rozložení vad. Použití předpokladu nejslabšího článku při dané úrovni napětí σ pravděpodobnost P zachování integrity daného vlasového segmentu s objemem V lze vyjádřit jako součin dalších pravděpodobností zachování integrity každého z objemových prvků, konkrétně:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
kde je hlasitost V obsahuje n objemových prvků V0. Jak se napětí zvyšuje P(V) přirozeně klesá.
Pomocí dvouparametrového Weibullova rozdělení lze pravděpodobnost selhání celého objemu vyjádřit jako:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 (σ/σ0)m]
kde σ - přiložené napětí, σ0 je charakteristická (referenční) pevnost a m — Weibullův modul, který je měřítkem variability vlastností. Stojí za zmínku, že pravděpodobnost zničení se zvyšuje s rostoucí velikostí vzorku V při konstantním napětí σ.
Na grafu 9А Je ukázáno Weibullovo rozložení experimentálních napětí při selhání pro lidské vlasy a vlasy kapybary. Křivky pro ostatní druhy byly předpovězeny pomocí vzorce #2 se stejnou hodnotou m jako pro lidské vlasy (m = 0.11).
Použité průměrné průměry byly: kanec - 235 um, kůň - 200 um, pekari - 300 um, medvěd - 70 um, sloní chlup - 345 um a žirafa - 370 um.
Na základě skutečnosti, že lomové napětí lze určit při P(V) = 0.5, tyto výsledky ukazují, že napětí při selhání klesá s rostoucím průměrem chlupů napříč druhy.
Na grafu 9V ukazuje předpokládaná lomová napětí s 50% pravděpodobností selhání (P(V) = 0.5) a průměrný experimentální mez pevnosti pro různé druhy.
Je zřejmé, že s rostoucím průměrem vlasu ze 100 na 350 mm klesá jeho mez pevnosti z 200–250 MPa na 125–150 MPa. Výsledky simulace Weibullova rozdělení jsou ve výborné shodě se skutečnými výsledky pozorování. Jedinou výjimkou jsou pekari vlasy, protože jsou extrémně porézní. Skutečná síla pekariových vlasů je nižší, než ukazuje Weibullův distribuční model.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout и jemu.
Epilog
Hlavním závěrem výše uvedených pozorování je, že husté vlasy nejsou ekvivalentem silných vlasů. Pravda, jak sami vědci říkají, toto tvrzení není objevem tisíciletí, protože podobná pozorování byla učiněna při studiu kovového drátu. Tady nejde ani tak o fyziku, mechaniku nebo biologii, ale o statistiku – čím větší objekt, tím větší prostor pro defekty.
Vědci věří, že práce, kterou jsme dnes recenzovali, pomůže jejich kolegům vytvořit nové syntetické materiály. Hlavním problémem je, že i přes vývoj moderních technologií zatím nejsou schopny vytvořit něco jako lidský nebo sloní vlas. Vytvořit něco tak malého je přece jen výzva, nemluvě o jeho složité struktuře.
Jak vidíme, tato studie ukázala, že nejen pavoučí hedvábí je hodné pozornosti vědců jako inspirace pro budoucí ultrapevné a ultralehké materiály, ale i lidský vlas dokáže překvapit svými mechanickými vlastnostmi a úžasnou pevností.
Děkuji za přečtení, buďte zvědaví a mějte skvělý týden, přátelé. 🙂
Nějaké inzeráty 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, , jedinečný analog serverů základní úrovně, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2krát levnější v datovém centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com