Hvis det er noget, der er stærkere: hårmorfologi

Hår er for den moderne mand ikke mere end et element af visuel selvidentifikation, en del af image og stil. På trods af dette har disse hornede formationer i huden flere vigtige biologiske funktioner: beskyttelse, termoregulering, fornemmelse osv. Hvor stærke er vores hår egentlig? Det viser sig, at de er mange gange stærkere end hår fra en elefant eller en giraf.

I dag skal vi se nærmere på en undersøgelse, hvor forskere fra University of California (USA) har besluttet at undersøge, hvordan tykkelsen af håret korrelerer med dets styrke hos forskellige dyrearter, herunder mennesker. Hvem har det stærkeste hår, hvilke mekaniske egenskaber har håret fra forskellige arter, og hvordan kan denne forskning hjælpe med at udvikle nye typer materialer? Det får vi at vide i forskernes rapport. Lad os komme i gang.

Basis for undersøgelsen

Hår, der hovedsageligt består af proteinet keratin, er hornede formationer i pattedyrers hud. Faktisk er hår, pels og uld synonymer. Strukturelt består et hår af lag af keratin, der ligger oven på hinanden, som faldne dominostykker. Hvert hår har tre lag: kutikula – det ydre og beskyttende lag; kortex – det kortikale stof, der består af forlængede døde celler (vigtigt for hårets styrke og elasticitet, bestemmer dets farve gennem melanin) og marv – det centrale lag af håret, som består af bløde keratin-celler og luftlommer og deltager i overførslen af næringsstoffer til de andre lag.

Hvis man deler håret vertikalt, får man et overhudslag (stammen) og et underhudslag (løget eller roden). Løget er omkranset af en follikel, hvis form bestemmer formen på selve håret: runde follikler – lige, ovale follikler – let bølgede, knapformede follikler – krøllede.

Mange forskere mener, at menneskets evolution ændrer sig på grund af teknologisk fremgang. Det vil sige, at nogle organer og strukturer i vores krop gradvist bliver rudimentære - det vil sige, at de har mistet deres oprindelige funktion. Eksempler på sådanne dele af kroppen inkluderer visdomstænder, blindtarmen og kroppens hårdække. Med andre ord mener forskerne, at disse strukturer simpelthen vil forsvinde fra vores anatomi over tid. Om det er sandt eller ej er svært at sige, men for mange almindelige mennesker, er visdomstænder for eksempel forbundet med besøg hos tandlægen for deres uundgåelige fjernelse.

Hvordan det end er, har mennesker brug for hår; måske spiller de ikke længere en afgørende rolle i termoreguleringen, men de er stadig en uundgåelig del af estetikken. Det samme kan siges om verdens kulturer. I mange lande har hår gennem tiderne været set som en kilde til al styrke, og at klippe dem var forbundet med mulige sundhedsproblemer og endda livets uheld. Den hellige betydning af hår er flyttet fra shamanistiske ritualer hos gamle stammer til mere moderne religioner, samt værker af forfattere, kunstnere og billedhuggere. Især er kvindelig skønhed ofte blevet nært forbundet med hvordan hår havde set ud eller blev afbildet (for eksempel i malerier) på charmerende damer.

Bemærk, hvor detaljeret håret på Venus er fremstillet (Sandro Botticelli, 'Venus' Fødsel', 1485).

Lad os lægge den kulturelle og æstetiske aspekt af hår til side og begynde at se nærmere på forskningen foretaget af forskerne.

Hår, i en eller anden form, findes hos mange arter af pattedyr. Mens de for mennesker ikke længere er lige så vigtige fra et biologisk synspunkt, er pels og hår for andre dyrearter livsvigtige attributter. Desuden er den grundlæggende struktur af menneskehår og for eksempel elefanthår meget lig hinanden, selvom der også er forskelle. Den mest åbenlyse af dem er størrelsen, da elefantens hår er meget tykkere end vores, men som det viser sig, ikke stærkere.

Forskningen i hår og pels har været i gang i lang tid. Resultaterne af disse studier er blevet anvendt både i kosmetologi og medicin samt i den lette industri (eller som den velkendte Kalugina L.P. ville sige: "den lette industri"), nærmere bestemt i tekstilindustrien. Desuden har studiet af hår hjulpet meget med udviklingen af biomaterialer baseret på keratin, som man allerede i begyndelsen af det 20. århundrede lærte at isolere fra dyrehorn ved hjælp af kalk.

Det keratin, der blev fremstillet på denne måde, blev brugt til at skabe geler, som kunne styrkes ved tilsætning af formaldehyd. Senere lærte man at isolere keratin ikke kun fra dyrehorn, men også fra deres pels samt fra menneskehår. Stoffer, der er fremstillet af keratin, har fundet anvendelse i kosmetik, kompositter og endda i belægninger til tabletter.

I dag udvikler branchen for studiet og produktionen af stærke og lette materialer sig hastigt. Hår, som naturligt er sådanne materialer, er en af de naturmaterialer, der inspirerer til denne type forskning. Grænsen for trækstyrken af pels og menneskehår ligger mellem 200 og 260 MPa, hvilket svarer til en specifik styrke på 150-200 MPa / mg m-3. Dette er næsten sammenligneligt med stål (250 MPa / mg m-3).

Den vigtigste rolle i dannelsen af hårs mekaniske egenskaber spiller dets hierarkiske struktur, der minder om en matrixdukke. Den mest væsentlige del af denne struktur er den indre cortex af barkceller (diameter omkring 5 μm og længde 100 μm), som består af sammenkoblede makrofibriller (diameter omkring 0.2-0.4 μm), der igen er sammensat af mellemfileramenter (7.5 nm i diameter), indlejret i en amorf matrix.

Hårs mekaniske egenskaber, deres følsomhed over for temperatur, fugtighed og deformation er direkte resultatet af interaktionen mellem de amorfe og krystallinske komponenter i cortex. Keratinfiberne i menneskehårets cortex har normalt en højere strækbarhed med en bruddeformation på over 40%.

Denne høje værdi skyldes afviklingen af strukturen a-keratin, og i visse tilfælde dens omdannelse til b-keratin, hvilket fører til forlængelse (en fuld omdrejning af spiralen på 0.52 nm strækkes til 1.2 nm i konfiguration). b). Dette er en af hovedårsagerne til, at mange undersøgelser har fokuseret på keratin for at genskabe det i syntetisk form. Det ydre lag af håret (kutikula), som vi allerede ved, består af plader (0,3-0,5 µm tykke og 40-60 µm lange).

Tidligere har forskere allerede undersøgt de mekaniske egenskaber ved menneskehår fra forskellige alders- og etniske grupper. I denne undersøgelse blev fokus lagt på at studere forskellene i de mekaniske egenskaber ved hår fra forskellige dyrearter, nemlig: menneske, hest, bjørn, vildsvin, capybara, pekari, giraf og elefant.

Resultaterne af undersøgelsen

Billede №1: morfologi af menneskehår (A — kutikula; I — brud på kortexen; der viser enderne af fibre, Med — overfladebrud, hvor de tre lag kan ses; D — lateral overflade af kortexen, der viser udtrækning af fiber).

Håret hos en voksen person har en diameter på omkring 80-100 µm. Ved normal hårpleje er deres udseende forholdsvis intakt (1A). Den indre komponent af menneskehår er den fibrøse kortex. Efter strækprøven blev det opdaget, at kutikula og kortexen på menneskehår brød på forskellige måder: kutikula brød normalt abrasivt (knuste), mens keratinfibrene i kortexen blev adskilt og strakt ud af den samlede struktur (1V).

På billedet 1C den skrøbelige overflade af kutikulaen kan tydeligt ses med visualisering af lagene, der er overlaplignende skiver af kutikulaen og har en tykkelse på 350-400 nm. Den observerede afskalning på brudfladen samt den skrøbelige natur af denne overflade viser en svag interfacial binding mellem kutikulaen og kortexen, samt mellem fibrene inden i kortexen.

Keratinfibrene i kortexen var adskilt (1D). Dette indikerer, at den fibrøse kortex primært er ansvarlig for hårets mekaniske styrke.

Billede №2: morfologi af hestehår (A — kutikula, hvis nogle plakater lidt er afvigende på grund af manglende pleje; I — udseendet af brud; Med — detaljerne ved brud på kortexen, hvor den afrevne kutikula kan ses; D — detaljer af kutikulaen).

Strukturen af hestehår ligner menneskehår, bortset fra at diameteren er 50% større (150 µm). På billedet 2A man kan se klare skader på kutikula, hvor mange plader ikke er så tæt forbundet med stangen, som de var på menneskehår. Bruddet på hestens hår indeholder både almindeligt brud og hårslid (afskalning af kutikula-plader). På 2B er begge former for skader synlige. På områder, hvor pladerne er helt adskilt, ses grænsefladen mellem kutikula og cortex (2C). Flere fibre er blevet revet ud og skilt i området ved grænsefladen. Sammenligner man disse observationer med tidligere (menneskehår), indikerer sådanne ødelæggelser, at hestens hår ikke har været udsat for samme høje stress som menneskehåret, når fibrene i cortex blev trukket og helt adskilt fra kutikula. Det ses også, at nogle plader er blevet adskilt fra stangen, hvilket kan være relateret til strækspænding (2D).

Billede nr. 3: morfologi af bjørnehår (A — kutikula; I – skader på to punkter relateret til brudområdet; Med – revnede kutikula med afskalning af fibrene i cortex; D – detaljer om fibrets struktur, hvor flere udstrakte fibre ses fra den overordnede struktur).

Tykkelsen af bjørnehår er 80 mikrometer. Kutikula-pladerne er ekstremt godt fastgjort til hinanden (3A), og i nogle områder er det endda svært at skelne mellem de enkelte plader. Dette kan være relateret til friktionen mellem håret og nabohår. Ved strækspænding flækkedes disse hår bogstaveligt talt med fremkomsten af lange revner (indsættelse på 3B), hvilket indikerer, at ved svag binding i den beskadigede kutikula, let afskilte keratin-fibrene i cortex. Afskalning af cortex forårsager brud på kutikula, hvilket bekræftes af det zigzag mønster af brud (3C). Denne spænding fører til, at nogle fibre trækkes ud af cortex (3D).

Billede nr. 4: morfologi af vildsvinehår (A – almindeligt fladt brud på håret; I – kutikulaens struktur demonstrerer dårlig integritet (samling) af pladerne; Med – detaljer om bruddet ved grænsefladen mellem kutikula og cortex; D – udtrukne fibre fra den overordnede masse samt fremtrædende fibriller).

Vildsvinehår er ganske tykke (230 mikrometer), især sammenlignet med bjørne. Bruddet på vildsvinehår ved skade fremstår ganske tydeligt (4A) vinkelret på strømningsretningen under stræk.

Relativt små, blottede kutikula-plader blev revet fra hovedkroppen af håret på grund af stræk i kanterne (4B).

På overfladen af brudzonen kan man tydeligt se afskalning af fibre, ligesom det også kan ses, at de var meget tæt bundet sammen inden i cortexen (4C). Kun fibrene i grænsefladen mellem cortexen og kutikulaen var blottet på grund af opdeling (4D), hvilket afslørede tilstedeværelsen af tykke fibriller i cortexen (250 nm i diameter). Nogle af fibrillerne stak let ud på grund af deformation. Det antages, at de fungerer som forstærkning af svinehår.

Billede nr. 5: morfologi af elefanthår (A — Med) og giraf (D — F). A — kutikula; I — trinvise brud på håret; Med — hulrum indeni håret indikerer, hvor fibre er blevet revet ud. D — kutikulære plader; E — glat brud på håret; F — fibre, der er revet ud fra overfladen i brudområdet.

Hårene fra en elefantunge kan være omkring 330 μm tykke, mens de hos en voksen kan nå op til 1,5 mm. Pladerne på overfladen er svære at skelne (5A). Elefanthår er også tilbøjelige til normal brud, dvs. til rent brud under stræk. Desuden viser morfologien af brudoverfladen et trinvist udseende (5B), muligvis forårsaget af tilstedeværelsen af ubetydelige defekter i cortexen af håret. På brudoverfladen kan man også se nogle små huller, hvor der før skaden sandsynligvis var forstærkende fibriller (5C).

Giraffens hår er også ret tykt (370 μm), selvom placeringen af kutikula-pladerne ikke er så klar (5D). Det antages, at dette er relateret til deres beskadigelse af forskellige miljømæssige faktorer (f.eks. friktion mod træer under fodring). På trods af forskellene var bruddet på giraffens hår sammenligneligt med det hos elefanten (5F).

Billede nr. 6: morfologi af kapybara hår (A — dobbelt kutikulær struktur af pladerne; I — brud på den dobbelte struktur; Med — fibre nær brekningsgrænsen ser skrøbelige og stive ud; D — strakte fibre fra brudområdet af den dobbelte struktur).

Hårene fra kapybaraer og pekarier adskiller sig fra alle andre undersøgte hår. Hos kapybaraen er den primære forskel tilstedeværelsen af en dobbelt konfiguration af kutikula og den ovale form af hår.6A). Sporet mellem de to spejlvendte hårpartier er nødvendig for hurtigere at fjerne vand fra dyrets pels og for bedre ventilation, hvilket hjælper med at tørre hurtigere. Når hårene strækkes, deler de sig i to dele langs sporet, og hver del nedbrydes (6B). Mange af korteksfiberne flækker og strækkes (6C og 6D).

Billede №7: morfologi af pighammerhår (A — opbygning af kutikula og brudsted; I — morfologi af korteksets nedbrydning og detaljer i dets struktur; Med — lukkede celler (20 µm i diameter), hvis vægge består af fibre; D — cellevægge).

Hos pighammere (familie Tayassuidae, dvs. pighammerfamilien) har hårene en porøs korteks, og kutikulaen har ikke klare plader (7A). Hårkortexen indeholder lukkede celler på størrelse med 10-30 µm (7B), hvis vægge er lavet af keratinfibre (7C). Disse vægge er ret porøse, og størrelsen af en pore er omkring 0,5-3 µm (7D).

Som synligt på billedet 7A, uden støtte fra den fibrøse korteks revner kutikulaen langs brudlinjen, og fibrene strækkes på nogle steder. Denne struktur af håret er nødvendig for at hårene står mere vertikalt, hvilket visuelt øger dyrets størrelse, hvilket kan være en forsvarsmekanisme for pighammeren. Pighammens hår modstår kompression ganske godt, men klarer ikke stræk.

Efter at have undersøgt de strukturelle egenskaber ved hår fra forskellige dyr samt deres skadestyper på grund af strækning, begyndte forskerne at beskrive de mekaniske egenskaber.

Billede №8: diagram over deformation for hver type hår og skema for den eksperimentelle opsætning til dataindsamling (deformationshastighed 10-2 s-1).

Som det fremgår af grafen ovenfor, var reaktionen på strækning hos hår fra forskellige dyrearter ret forskellig. Hår fra mennesker, heste, vildsvin og bjørne viste en reaktion, der mindede om reaktionen fra uld (ikke blot fra nogen uld, men fra tekstilmateriale).

Med et relativt højt elasticitetsmodul, der er lig med 3,5–5 GPa, består kurverne af et lineært (elastisk) område, efterfulgt af en plateau med langsomt stigende spænding indtil en deformation på 0,20–0,25, hvorefter styrkelsen stiger betydeligt indtil bruddeformationen i 0,40. Plateauområdet henviser til udrulningen. a-spiral structure of keratin intermediate filaments, which in some cases can (partially) transform into b-sheets (flat structures). Complete unwinding, however, leads to deformation 1.31, which is significantly higher than at the end of this stage (0.20–0.25).

The crystalline filamentous part of the structure is surrounded by an amorphous matrix, which does not transform. The amorphous part constitutes about 55% of the total volume, but only if the diameter of the intermediate filaments is 7 nm and they are separated by amorphous material by 2 nm. Such precise figures were derived in previously conducted studies.

During the deformation stage, characterized by hardening, sliding occurs between the cortical fibers, as well as between smaller structural elements such as microfibrils, intermediate filaments, and the amorphous matrix.

The hair of the giraffe, elephant, and peccary demonstrates a relatively linear hardening response without a clear distinction between plateau and rapid hardening regions (peaks). The elasticity modulus is relatively low, around 2 GPa.

In contrast to other species, capybara hair shows a response characterized by rapid hardening, upon which successive stresses are imposed. This observation is related to the unusual structure of the capybara's hair, more precisely to the presence of two symmetrical parts and a longitudinal groove between them.

Previous studies have indicated that the Young's modulus (longitudinal elasticity modulus) decreases as the hair diameter increases in different animal species. It was noted in these studies that the Young's modulus in peccaries is significantly lower than in other animals, which may be related to the porosity of the structure of their hair.

Interestingly, peccaries have both black and white sections on their hair (bichromy). Tears during stretching occur most often in the white area of the hair. The increased resilience of the black area is explained by the presence of melanosomes, which are found exclusively in black hair.

All these observations are indeed unique, but the main question remains — do the dimensions of the hair play a role in its strength?

Når man beskriver hår hos pattedyr, kan man fremhæve nogle grundlæggende fakta, som forskerne kender til:

• hos de fleste arter er håret tykkere i midten og bliver smalere mod spidsen; pelsen hos vilde dyr er tykkere på grund af deres levesteder;
• ændringer i hårdiameteren hos én art viser, at tykkelsen af de fleste hår varierer inden for det samlede tykkelsesinterval for den pågældende dyreart. Tykkelsen af hårene kan variere mellem forskellige repræsentanter af samme art, men det vides endnu ikke, hvad der påvirker denne forskel;
• forskellige arter af pattedyr har forskellige hårtykkelser (uanset hvor banalt det måtte lyde).

Ved at opsummere disse offentligt tilgængelige fakta og de data, der er opnået gennem eksperimenter, har forskerne været i stand til at sammenligne alle resultater for at danne afhængigheder mellem hårtykkelse og dets styrke.

Billede nr. 9: forholdet mellem hårtykkelse og dets styrke hos forskellige dyrearter.

På grund af forskelle i diameter og strækbarhed af hår besluttede forskerne at undersøge, om man kan forudsige deres brudspænding baseret på Weibull-statistik, som specifikt kan tage højde for forskelle i prøvestørrelse og den resulterende defektstørrelse.

Det antages, at segmentet af håret med et volumen V består af n volumenelementer, hvor hvert enkelt volumen V0 har en tilsvarende fordeling af defekter. Ved at bruge antagelsen om det svageste led, ved det givne spændingsniveau σ kan sandsynligheden P for at opretholde integriteten af dette segment af håret med et volumen V udtrykkes som produktet af de ekstra sandsynligheder for at opretholde integriteten af hver af volumenelementerne, nemlig:

P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n

hvor volumen V indeholder n volumenelementer V0. Når spændingen øges, P(V) reduceres den naturligt.

Ved at bruge Weibull's to-parametriske fordeling kan sandsynligheden for nedbrydning af hele volumenet udtrykkes som:

1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]

hvor σ — den påførte spænding, σ0 — karakteristisk (reference) styrke, og m — Weibull-modulet, som er et mål for variabiliteten af egenskaber. Det er værd at bemærke, at sandsynligheden for nedbrydning øges med stigende prøvevolumen V ved konstant spænding σ.

På grafen 9A Distributionen af Weibull for eksperimentelle brudspændinger for menneskehår og kapybaraer er vist. Kurverne for andre arter blev forudsagt ved hjælp af formel nr. 2 med den samme værdi af m som for menneskehår (m = 0.11).

Den gennemsnitlige diameter anvendt var: vildsvin — 235 μm, hest — 200 μm, pekari — 300 μm, bjørn — 70 μm, elefant hår — 345 μm og giraf — 370 μm.

Baseret på det faktum, at brudspændingen kan bestemmes ved P(V) = 0,5, viser disse resultater, at brudspændingen falder med stigende diameter af håret hos forskellige arter.

På grafen 9V De forudsagte brudspændinger ved 50 % sandsynlighed for brud (P(V) = 0,5) og den gennemsnitlige eksperimentelle brudspænding for forskellige arter er vist.

Det bliver tydeligt, at når diameteren af håret øges fra 100 til 350 mm, falder brudspændingen fra 200–250 MPa til 125–150 MPa. Resultaterne fra Weibull-fordelingen stemmer fremragende overens med resultaterne fra faktiske observationer. Den eneste undtagelse er håret fra pekari, da det er ekstremt porøst. Den faktiske styrke af pekari-håret er lavere end det, som Weibull-modelleringen viste.

For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i forskerens rapport og yderligere materialer til det.

Epilog

Den vigtigste konklusion fra de ovennævnte observationer er, at tykke hår ikke svarer til stærke hår. Faktisk, som forskerne selv siger, er dette udsagn ikke en opdagelse af årtusinder, da lignende observationer er blevet gjort ved undersøgelsen af metaltråd. Her handler det ikke engang om fysik, mekanik eller biologi, men om statistik — jo større objekt, desto mere plads til defekter.

Forskere mener, at det arbejde, vi har set på i dag, vil hjælpe deres kolleger med at skabe nye syntetiske materialer. Hovedproblemet er, at på trods af udviklingen af moderne teknologier, er de stadig ikke i stand til at skabe noget, der ligner menneskehår eller elefant hår. At skabe noget så lille er allerede en udfordring, for ikke at tale om dens komplekse struktur.

Som vi kan se, har denne forskning vist, at langt fra kun edderkoppesilke er værd at bemærke for forskere som inspiration til fremtidige super stærke og super lette materialer, men også menneskehår formår at imponere med sine mekaniske egenskaber og forbløffende styrke.

Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige og hav en god arbejdsuge, alle sammen. 🙂

Lidt reklame 🙂

Tak fordi du bliver hos os. Kan du lide vores artikler? Ønsker du at se flere interessante materialer? Støt os ved at bestille eller anbefale os til dine bekendte, cloud VPS til udviklere fra 4,99 $, en unik analog til entry-level servere, som vi har designet til dig: Alt om VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 kerner) 10 GB DDR4 480 GB SSD 1 Gbps fra 19 $ eller hvordan man deler serveren korrekt? (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).

Dell R730xd til halv pris i datacenteret Equinix Tier IV i Amsterdam? Kun hos os 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB fra 199 $ i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan man bygger enterprise-infrastruktur ved hjælp af Dell R730xd E5-2650 v4 servere til 9000 euro for en brøkdel af prisen?

Kilde: habr.com