Hår for en moderne person er intet mere end et element af visuel selvidentifikation, en del af billedet og billedet. På trods af dette har disse liderlige formationer af huden flere vigtige biologiske funktioner: beskyttelse, termoregulering, berøring osv. Hvor stærkt er vores hår? Som det viste sig, er de mange gange stærkere end elefant- eller girafhår.
I dag vil vi stifte bekendtskab med en undersøgelse, hvor forskere fra University of California (USA) besluttede at teste, hvordan hårtykkelse og dets styrke hænger sammen hos forskellige dyrearter, herunder mennesker. Hvis hår er stærkest, hvilke mekaniske egenskaber har forskellige hårtyper, og hvordan kan denne forskning hjælpe med at udvikle nye typer materialer? Vi lærer om dette fra videnskabsmænds rapport. Gå.
Forskningsgrundlag
Hår, der hovedsageligt består af proteinet keratin, er den liderlige dannelse af pattedyrs hud. Faktisk er hår, uld og pels synonyme. Hårets struktur består af keratinplader, der overlapper hinanden, som dominobrikker, der falder oven på hinanden. Hvert hår har tre lag: neglebåndet er det ydre og beskyttende lag; cortex - cortex, bestående af aflange døde celler (vigtigt for hårets styrke og elasticitet, bestemmer dets farve på grund af melanin) og medulla - hårets centrale lag, bestående af bløde keratinceller og lufthuler, som er involveret i overførsel af næringsstoffer til andre lag.
Hvis håret er delt lodret, får vi en subkutan sektion (skaft) og en subkutan sektion (bulb eller rod). Pæren er omgivet af en follikel, hvis form bestemmer selve hårets form: en rund follikel er lige, en oval follikel er let krøllet, en nyreformet follikel er krøllet.
Mange videnskabsmænd tyder på, at menneskets evolution ændrer sig på grund af teknologiske fremskridt. Det vil sige, at nogle organer og strukturer i vores krop gradvist bliver rudimentære – dem, der har mistet deres tilsigtede formål. Disse kropsdele omfatter visdomstænder, blindtarm og kropsbehåring. Med andre ord mener videnskabsmænd, at disse strukturer med tiden simpelthen vil forsvinde fra vores anatomi. Om det er sandt eller ej er svært at sige, men for mange almindelige mennesker er visdomstænder for eksempel forbundet med at besøge tandlægen for deres uundgåelige fjernelse.
Hvorom alting er, så har en person brug for hår; det spiller måske ikke længere en afgørende rolle i termoreguleringen, men det er stadig en integreret del af æstetikken. Det samme kan siges om verdenskulturen. I mange lande blev hår fra umindelige tider betragtet som kilden til al styrke, og at klippe det var forbundet med mulige sundhedsproblemer og endda svigt i livet. Den hellige betydning af hår migrerede fra de gamle stammers shamanistiske ritualer til mere moderne religioner, værker af forfattere, kunstnere og billedhuggere. Især kvindelig skønhed var ofte tæt forbundet med den måde, hvorpå smukke damers hår så ud eller blev afbildet (for eksempel i malerier).
Læg mærke til, hvor detaljeret Venus hår er afbildet (Sandro Botticelli, "Venus fødsel", 1485).
Lad os se bort fra det kulturelle og æstetiske aspekt af hår og begynde at overveje videnskabsmænds forskning.
Hår, i en eller anden form, er til stede i mange arter af pattedyr. Hvis de for mennesker ikke længere er så vigtige fra et biologisk synspunkt, så er uld og pels vitale egenskaber for andre repræsentanter for dyreverdenen. Samtidig er menneskehår og for eksempel elefanthår meget ens med hensyn til deres grundstruktur, selvom der er forskelle. Den mest åbenlyse af dem er dimensionerne, fordi elefanthår er meget tykkere end vores, men, som det viste sig, ikke stærkere.
Forskere har studeret hår og uld i et stykke tid. Resultaterne af disse værker blev implementeret både i kosmetologi og medicin og i let industri (eller, som den velkendte Kalugina L.P. ville sige: "let industri") eller mere præcist i tekstiler. Derudover har studiet af hår i høj grad hjulpet i udviklingen af biomaterialer baseret på keratin, som de i begyndelsen af forrige århundrede lærte at isolere fra dyrehorn ved hjælp af kalk.
Den således opnåede keratin blev brugt til at skabe geler, der kunne styrkes ved at tilsætte formaldehyd. Senere lærte de at isolere keratin ikke kun fra dyrehorn, men også fra deres pels såvel som fra menneskehår. Stoffer baseret på keratin har fundet deres anvendelse i kosmetik, kompositter og endda i tabletbelægninger.
I dag er industrien for at studere og producere holdbare og lette materialer i hastig udvikling. Hår er naturligt nok et af de naturlige materialer, der inspirerer til denne form for forskning. Overvej trækstyrken af uld og menneskehår, som spænder fra 200 til 260 MPa, hvilket svarer til en specifik styrke på 150-200 MPa/mg m-3. Og dette kan næsten sammenlignes med stål (250 MPa / mg m-3).
Hovedrollen i dannelsen af hårets mekaniske egenskaber spilles af dets hierarkiske struktur, der minder om en matryoshka dukke. Det vigtigste element i denne struktur er den indre cortex af corticale celler (diameter ca. 5 μm og længde 100 μm), bestående af grupperede makrofibriller (diameter ca. 0.2-0.4 μm), som igen består af mellemliggende filamenter (7.5 nm) i diameter), indlejret i en amorf matrix.
Hårets mekaniske egenskaber, dets følsomhed over for temperatur, fugtighed og deformation er et direkte resultat af samspillet mellem de amorfe og krystallinske komponenter i cortex. Keratinfibrene i menneskehårbarken har typisk høj forlængelse med en trækbelastning på mere end 40 %.
En så høj værdi skyldes afviklingen af strukturen а-keratin og i nogle tilfælde dets omdannelse til b-keratin, hvilket fører til en stigning i længden (en hel drejning af en 0.52 nm helix strækkes til 1.2 nm i konfigurationen b). Dette er en af hovedårsagerne til, at mange undersøgelser har fokuseret specifikt på keratin for at genskabe det i en syntetisk form. Men det ydre lag af hår (kutikula), som vi allerede ved, består af plader (0.3-0.5 mikron tyk og 40-60 mikron i længden).
Tidligere har forskere allerede forsket i de mekaniske egenskaber af hår hos mennesker fra forskellige aldre og etniske grupper. I dette arbejde blev der lagt vægt på at studere forskellene i de mekaniske egenskaber af hår fra forskellige dyrearter, nemlig: mennesker, heste, bjørne, vildsvin, capybaraer, peccaryer, giraffer og elefanter.
Forskningsresultater
Billede #1: Menneskehårs morfologi (А - neglebånd; В - cortex fraktur; viser enderne af fibrene, С — fejlens overflade, hvor tre lag er synlige; D - lateral overflade af cortex, der viser fiberforlængelse).
Et voksent menneskehår er omkring 80-100 mikrometer i diameter. Med normal hårpleje er deres udseende ret holistisk (1А). Den indre komponent i menneskehår er den fibrøse cortex. Efter træktest viste det sig, at neglebåndet og cortex af menneskehår brækkede forskelligt: neglebåndet brækkede typisk slibende (krøller), og keratinfibrene i cortex blev pillet af og trukket ud af den overordnede struktur (1V).
Afbildet 1С den skrøbelige overflade af neglebåndet er tydeligt synlig med visualisering af lagene, som er overlappende neglebåndsplader og har en tykkelse på 350-400 nm. Den observerede delaminering ved frakturoverfladen, såvel som denne overflades sprøde natur, indikerer svag grænsefladekommunikation mellem neglebåndet og cortex og mellem fibre i cortex.
Keratinfibre i cortex blev eksfolieret (1D). Dette tyder på, at den fibrøse cortex primært er ansvarlig for hårets mekaniske styrke.
Billede nr. 2: Hestehårsmorfologi (А - neglebånd, hvoraf nogle plader er lidt afvigende på grund af manglende pleje; В - udseendet af bruddet; С — detaljer om brud på cortex, hvor den afrevne neglebånd er synlig; D - neglebåndsdetaljer).
Strukturen af hestehår ligner menneskehår, bortset fra diameteren, som er 50 % større (150 mikron). I billedet 2А Man kan se tydelige skader på neglebåndet, hvor mange af pladerne ikke er så tæt forbundet med skaftet, som de var i menneskehår. Stedet for et hestehårsbrud indeholder både en normal pause og en hårbrud (delaminering af neglebåndspladerne). På 2V Begge typer skader er synlige. I områder, hvor lamellerne er blevet revet helt af, er grænsefladen mellem neglebåndet og cortex synlig (2С). Adskillige fibre blev revet og delamineret ved grænsefladen. Sammenlignes disse observationer med tidligere observationer (menneskehår), tyder sådanne fejl på, at hestehår ikke oplevede så meget stress som menneskehår, når fibrene i cortex blev trukket ud og helt løsnet fra neglebåndet. Det kan også ses, at nogle plader har løsnet sig fra stangen, hvilket kan skyldes trækspænding (2D).
Billede #3: Bjørnehårmorfologi (А - neglebånd; В — skade på to punkter i forbindelse med brudområdet; С — revner i neglebåndet med delaminering af fibre i cortex; D - detaljer om fiberstrukturen, flere aflange fibre fra den generelle struktur er synlige).
Tykkelsen af et bjørnehår er 80 mikron. Cuticle-pladerne er ekstremt tæt knyttet til hinanden (3А), og i nogle områder er det endda svært at skelne individuelle plader. Dette kan skyldes hårets friktion mod naboerne. Under trækspænding flækker disse hår bogstaveligt talt med forekomsten af lange revner (indsat på 3B), hvilket indikerer, at med den svage bindingseffekt af den beskadigede neglebånd, blev keratinfibrene i cortex let delaminerede. Delamineringen af cortex forårsager et brud på neglebåndet, som det fremgår af bruddets zigzag-mønster (3С). Denne spænding får nogle fibre til at blive trukket ud af cortex (3D).
Billede nr. 4: ornehår morfologi (А - almindelig flad hårgrænsebrud; В — strukturen af neglebåndet viser en dårlig tilstand af integritet (gruppering) af pladerne; С — detaljer om mellemrummet ved grænsefladen mellem neglebåndet og cortex; D - fibre forlænget fra den samlede masse og udragende fibriller).
Ornehår er ret tykt (230 mm), især i sammenligning med bjørnehår. Rivning af ornehår, når det er beskadiget, ser ret tydeligt ud (4А) vinkelret på trækspændingsretningen.
Relativt små, blottede neglebåndsplader blev revet fra hoveddelen af håret på grund af strækning af deres kanter (4V).
På overfladen af destruktionszonen er delamineringen af fibre tydeligt synlig; det er også tydeligt, at de var meget tæt forbundet med hinanden inde i cortex (4С). Kun fibre i grænsefladen mellem cortex og neglebånd blev eksponeret på grund af adskillelse (4D), som afslørede tilstedeværelsen af tykke kortikale fibriller (250 nm i diameter). Nogle af fibrillerne stak lidt ud på grund af deformation. De skal tjene som et styrkende middel til ornes hår.
Billede #5: Elefanthårmorfologi (А — С) og giraf (D — F). А - neglebånd; В - trinvist hårbrud; С - hulrum inde i håret indikerer, hvor fibrene blev revet ud. D - kutikulære plader; Е - jævnt hårbrud; F - fibre revet fra overfladen i frakturområdet.
Håret på en babyelefant kan være omkring 330 mikron tykt, og hos en voksen kan det nå 1.5 mm. Pladerne på overfladen er svære at skelne (5А).Elefanthår er også udsat for normal nedbrydning, dvs. til rent trækbrud. Desuden viser morfologien af brudfladen et trinvist udseende (5V), muligvis på grund af tilstedeværelsen af mindre defekter i hårbarken. Nogle små huller kan også ses på frakturoverfladen, hvor forstærkende fibriller sandsynligvis var placeret før skaden (5С).
Giraffens hår er også ret tykt (370 mikron), selvom arrangementet af neglebåndspladerne ikke er så tydeligt (5D). Det antages, at dette skyldes deres skader af forskellige miljøfaktorer (for eksempel friktion mod træer under fodring). På trods af forskellene lignede giraffens hårbrud som elefantens (5F).
Billede nr. 6: kapybarahårmorfologi (А - dobbelt kutikulær struktur af pladerne; В — brud på dobbeltstrukturen; С — fibre nær brudgrænsen virker sprøde og stive; D - aflange fibre fra brudzonen af dobbeltstrukturen).
Håret på capybaraer og peccaries er forskelligt fra alle andre undersøgte hår. I kapybaraen er den største forskel tilstedeværelsen af en dobbelt kutikula-konfiguration og en oval hårform (6А). Rillen mellem de to spejlede dele af håret er nødvendig for at fjerne vand fra dyrets pels hurtigere, samt for bedre ventilation, som gør det muligt at tørre hurtigere. Når det udsættes for udstrækning, deles håret i to dele langs rillen, og hver del ødelægges (6V). Mange fibre i cortex adskilles og strækkes (6С и 6D).
Billede #7: Peccary-hårmorfologi (А - struktur af neglebåndet og sted for brud; В — morfologi af cortex-ødelæggelse og detaljer om dens struktur; С — lukkede celler (20 mikrometer i diameter), hvis vægge består af fibre; D - cellevægge).
Peccaryerne (familien Tayassuidae, dvs. peccary) hår har en porøs cortex, og neglebåndslaget har ikke tydelige plader (7А). Hårbarken indeholder lukkede celler, der måler 10-30 mikron (7V), hvis vægge består af keratinfibre (7С). Disse vægge er ret porøse, og størrelsen af en pore er omkring 0.5-3 mikron (7D).
Som du kan se på billedet 7А, uden støtte fra den fibrøse cortex, revner neglebåndet langs brudlinjen, og fibrene trækkes nogle steder ud. Denne hårstruktur er nødvendig for at gøre håret mere lodret, hvilket visuelt øger dyrets størrelse, hvilket kan være en forsvarsmekanisme for peccaryen. Peccary-hår modstår kompression ganske godt, men kan ikke strække sig.
Efter at have forstået de strukturelle træk ved forskellige dyrs hår, såvel som deres typer af skader på grund af spænding, begyndte forskerne at beskrive de mekaniske egenskaber.
Billede nr. 8: deformationsdiagram for hver hårtype og diagram af den eksperimentelle opsætning til opnåelse af data (strain rate 10-2 s-1).
Som det kan ses af grafen ovenfor, var reaktionen på udstrækning i håret på forskellige dyrearter ret forskellig. Således viste håret på en person, en hest, en orne og en bjørn en reaktion svarende til reaktionen af uld (ikke en andens, men et tekstilmateriale).
Ved et relativt højt elasticitetsmodul på 3.5–5 GPa består kurverne af et lineært (elastisk) område efterfulgt af et plateau med langsomt stigende spænding op til en tøjning på 0.20–0.25, hvorefter hærdningshastigheden stiger markant indtil en fejlstamme på 0.40. Plateauområdet refererer til at slappe af а-spiralformet struktur af keratin-mellemfilamenter, som i nogle tilfælde (delvis) kan omdannes til b-plader (flade strukturer). Fuldstændig afvikling fører til en deformation på 1.31, hvilket er væsentligt højere end ved slutningen af dette trin (0.20-0.25).
Den krystallinske trådlignende del af strukturen er omgivet af en amorf matrix, der ikke transformerer. Den amorfe del udgør omkring 55 % af det totale volumen, men kun hvis diameteren af de mellemliggende filamenter er 7 nm, og at de er adskilt af 2 nm amorft materiale. Sådanne præcise indikatorer er blevet udledt i tidligere undersøgelser.
Under hærdningsstadiet af deformation sker glidning mellem kortikale fibre såvel som mellem mindre strukturelle elementer såsom mikrofibriller, mellemfilamenter og den amorfe matrix.
Giraf-, elefant- og peccaryhår udviser en relativt lineær hærdningsrespons uden nogen klar skelnen mellem plateauer og områder med hurtig hærdning (toppe). Elasticitetsmodulet er relativt lavt og er omkring 2 GPa.
I modsætning til andre arter udviser kapybarahår en respons karakteriseret ved hurtig hærdning, når successive belastninger påføres. Denne observation er forbundet med den usædvanlige struktur af kapybaraens hår, eller mere præcist med tilstedeværelsen af to symmetriske dele og en langsgående rille mellem dem.
Tidligere undersøgelser er allerede blevet udført, der indikerer, at Youngs modul (langsgående elasticitetsmodul) falder med stigende hårdiameter hos forskellige dyrearter. Disse værker bemærkede, at peccary's Young's modul er betydeligt lavere end hos andre dyr, hvilket kan skyldes porøsiteten af dens hårstruktur.
Det er også mærkeligt, at peccaryen har både sorte og hvide områder på håret (tofarvet). Trækbrud forekommer oftest i det hvide område af håret. Den øgede modstand af det sorte område skyldes tilstedeværelsen af melanosomer, som udelukkende findes i sort hår.
Alle disse observationer er virkelig unikke, men hovedspørgsmålet forbliver: spiller hårets dimensioner en rolle i dets styrke?
Hvis vi beskriver hår hos pattedyr, kan vi fremhæve de vigtigste fakta, der er kendt for forskere:
- i de fleste hårtyper er det tykkere i den centrale del og tilspidser mod enden; Pelsen af vilde dyr er tykkere på grund af deres levested;
- Variationer i diameteren af hår fra en art indikerer, at tykkelsen af de fleste hår varierer inden for det generelle tykkelsesområde for en given dyreart. Tykkelsen af hårene kan variere mellem forskellige repræsentanter for samme art, men hvad der påvirker denne forskel er stadig ukendt;
- Forskellige arter af pattedyr har forskellige hårtykkelser (så kliché som det end lyder).
Ved at opsummere disse offentligt tilgængelige fakta og de data, der blev opnået under eksperimenterne, var forskerne i stand til at sammenligne alle resultaterne for at danne forhold mellem hårtykkelse og dets styrke.
Billede nr. 9: forholdet mellem hårtykkelse og dets styrke hos forskellige dyrearter.
På grund af forskellene i hårdiameter og strækbarhed besluttede forskerne at se, om deres trækspændinger kunne forudsiges baseret på Weibull-statistikker, som specifikt kan tage højde for forskelle i prøvestørrelse og resulterende defektstørrelse.
Det antages, at et hårsegment med volumen V состоит из n elementer af volumen, og hver enhed volumen V0 har en lignende fordeling af defekter. Bruger antagelsen om det svageste led ved et givet spændingsniveau σ sandsynlighed P bevare integriteten af et givet hårsegment med volumen V kan udtrykkes som produktet af yderligere sandsynligheder for at opretholde integriteten af hvert af volumenelementerne, nemlig:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
hvor er lydstyrken V indeholder n volumenelementer V0. Efterhånden som spændingen stiger P(V) falder naturligt.
Ved at bruge en to-parameter Weibull-fordeling kan sandsynligheden for fejl i hele volumen udtrykkes som:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
где σ - påført spænding, σ0 er den karakteristiske (reference) styrke, og m — Weibull-modul, som er et mål for egenskabsvariabilitet. Det er værd at bemærke, at sandsynligheden for ødelæggelse stiger med stigende stikprøvestørrelse V ved konstant spænding σ.
På diagrammet 9А Weibull-fordelingen af eksperimentelle fejlbelastninger for menneske- og capybarahår er vist. Kurver for andre arter blev forudsagt ved hjælp af formel #2 med samme værdi af m som for menneskehår (m = 0.11).
De anvendte gennemsnitlige diametre var: orne - 235 µm, hest - 200 µm, peccary - 300 µm, bjørn - 70 µm, elefanthår - 345 µm og giraf - 370 µm.
Ud fra at brudspændingen kan bestemmes ved P(V) = 0.5, disse resultater indikerer, at svigtstressen falder med stigende hårdiameter på tværs af arter.
På diagrammet 9V viser forudsagte brudspændinger med 50 % sandsynlighed for fejl (P(V) = 0.5) og den gennemsnitlige eksperimentelle brudspænding for forskellige arter.
Det bliver klart, at når hårets diameter øges fra 100 til 350 mm, falder dets brudspænding fra 200-250 MPa til 125-150 MPa. Weibull distributionssimuleringsresultaterne er i fremragende overensstemmelse med de faktiske observationsresultater. Den eneste undtagelse er peccary-hår, da det er ekstremt porøst. Den faktiske styrke af peccary-hår er lavere end den, der vises af Weibull distributionsmodellering.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på и til ham.
Epilog
Hovedkonklusionen af ovenstående observationer er, at tykt hår ikke svarer til stærkt hår. Sandt nok, som forskerne selv siger, er denne erklæring ikke en opdagelse af årtusindet, da lignende observationer blev lavet, da man studerede metaltråd. Pointen her er ikke engang i fysik, mekanik eller biologi, men i statistik - jo større objektet er, jo større er mulighederne for defekter.
Forskere mener, at det arbejde, vi har gennemgået i dag, vil hjælpe deres kolleger med at skabe nye syntetiske materialer. Hovedproblemet er, at på trods af udviklingen af moderne teknologier, er de endnu ikke i stand til at skabe noget som menneske- eller elefanthår. Når alt kommer til alt, er det allerede en udfordring at skabe noget så lille, for ikke at nævne dets komplekse struktur.
Som vi kan se, har denne undersøgelse vist, at ikke kun edderkoppesilke er værdig videnskabsmænds opmærksomhed som inspiration til fremtidige ultrastærke og ultralette materialer, men også menneskehår kan overraske med dets mekaniske egenskaber og fantastiske styrke.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter. 🙂
Nogle annoncer 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, , en unik analog af entry-level servere, som blev opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere i Equinix Tier IV datacenter i Amsterdam? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com