Para el hombre moderno, el cabello no es más que un elemento de autoidentificación visual, parte de la imagen y el estilo. Sin embargo, estas formaciones córneas de la piel tienen varias funciones biológicas importantes: protección, termorregulación, tacto, etc. ¿Qué tan fuertes son nuestros cabellos? Resulta que son varias veces más fuertes que los de un elefante o una jirafa.
Hoy nos familiarizaremos con un estudio en el que científicos de la Universidad de California (EE. UU.) decidieron verificar cómo correlacionan el grosor del cabello y su resistencia en diferentes especies de animales, incluido el ser humano. ¿Qué cabellos resultaron ser los más fuertes, qué propiedades mecánicas tienen los cabellos de las diferentes especies y cómo puede ayudar este estudio en el desarrollo de nuevos tipos de materiales? Lo averiguaremos a partir del informe de los científicos. Vamos.
Base de la investigación
El cabello, que está compuesto en su mayor parte por la proteína queratina, es una formación córnea de la piel de los mamíferos. De hecho, el cabello, la lana y el pelaje son sinónimos. En su estructura, el cabello está formado por láminas de queratina que se superponen unas a otras, como fichas de dominó que se han caído. Cada cabello tiene tres capas: la cutícula, que es la capa externa y protectora; el córtex, que es la sustancia córnea compuesta por células muertas alargadas (importante para la resistencia y la elasticidad del cabello, y determina su color a través de la melanina) y la médula, que es la capa central del cabello, compuesta por suaves células queratinizadas y cavidades de aire, que participa en la transmisión de nutrientes a otras capas.
Si se divide el cabello verticalmente, se obtendrá una parte epidérmica (tallo) y una parte subcutánea (bulbo o raíz). El bulbo está rodeado por un folículo, cuya forma determina la forma del propio cabello: folículo redondo - cabello liso, folículo ovalado - ligeramente ondulado, folículo en forma de riñón - rizado.
Muchos científicos sugieren que, debido al progreso tecnológico, la evolución humana está cambiando. Es decir, algunos órganos y estructuras en nuestro cuerpo se están convirtiendo gradualmente en rudimentarios, aquellos que han perdido su propósito original. Entre estas partes del cuerpo se pueden mencionar las muelas del juicio, el apéndice y el vello corporal. En otras palabras, los científicos creen que, con el tiempo, estas estructuras simplemente desaparecerán de nuestra anatomía. Cuán cierto sea esto es difícil de decir, pero para muchos, las muelas del juicio, por ejemplo, están asociadas con acudir al dentista para su inminente extracción.
De cualquier manera, los cabellos son necesarios para el ser humano; puede que ya no jueguen un papel crucial en la termorregulación, pero en la estética siguen siendo una parte esencial. Lo mismo se puede decir de la cultura mundial. En muchos países, desde tiempos inmemoriales, el cabello se ha considerado una fuente de toda fuerza, y su corte se asociaba con posibles problemas de salud e incluso fracasos en la vida. El significado sagrado del cabello ha transitado desde rituales chamánicos de antiguas tribus hasta religiones más modernas, obras de escritores, artistas y escultores. En particular, la belleza femenina a menudo ha estado estrechamente relacionada con la apariencia o representación (por ejemplo, en pinturas) del cabello de las damas.
Observe cuán detalladamente se representan los cabellos de Venus (Sandro Botticelli, "El nacimiento de Venus", 1485).
Dejemos de lado el aspecto cultural y estético del cabello y pasemos a considerar la investigación de los científicos.
El cabello, de una forma u otra, está presente en muchas especies de mamíferos. Si bien ya no son tan importantes biológicamente para los humanos, para otras especies del reino animal, el pelaje y el pelo son atributos vitales. A pesar de esto, en su estructura básica, el cabello humano y, por ejemplo, el de un elefante son muy similares, aunque hay diferencias. La más evidente de ellas es el tamaño, ya que el pelo de un elefante es mucho más grueso que el nuestro, pero, como se ha demostrado, no es más resistente.
Los científicos han estudiado el cabello y la lana durante bastante tiempo. Los resultados de estos trabajos se han implementado tanto en cosmetología y medicina como en la industria ligera (o como diría la conocida Kalugina L.P.: «industria ligera»), más concretamente en la textil. Además, el estudio del cabello ha ayudado mucho en el desarrollo de bioproductos basados en queratina, que ya a principios del siglo pasado se aprendió a extraer de los cuernos de los animales mediante cal.
La queratina obtenida de esta manera se utilizó para crear geles, que se podían fortalecer mediante la adición de formaldehído. Más tarde, se aprendió a extraer queratina no solo de los cuernos de los animales, sino también de su lana y del cabello humano. Las sustancias creadas a base de queratina encontraron aplicación en cosméticos, compuestos e incluso en recubrimientos para tabletas.
En la actualidad, la industria de estudio y producción de materiales duraderos y ligeros está en rápido desarrollo. El cabello, siendo un material natural, es una de las materias que inspiran este tipo de investigación. Vale la pena mencionar el límite de resistencia a la tracción de la lana y el cabello humano, que es de 200 a 260 MPa, lo que equivale a una resistencia específica de 150-200 MPa / mg m-3. Esto es prácticamente comparable al acero (250 MPa / mg m-3).
El papel principal en la formación de las propiedades mecánicas del cabello lo juega su estructura jerárquica, que recuerda a una matrioska. El elemento más importante de esta estructura es el córtex interno de células corticosas (diámetro de aproximadamente 5 μm y longitud de 100 μm), compuesto de macrofibrillas agrupadas (diámetro de aproximadamente 0.2-0.4 μm), que a su vez están formadas por filamentos intermedios (7.5 nm de diámetro) incorporados en una matriz amorfa.
Las propiedades mecánicas del cabello, su sensibilidad a la temperatura, la humedad y a la deformación son un resultado directo de la interacción entre los componentes amorfos y cristalinos del córtex. Las fibras de queratina del córtex del cabello humano generalmente tienen una gran capacidad de estiramiento, con una deformación al romperse de más del 40%.
Este alto valor se debe al desenrollado de la estructura y-queratina y, en algunos casos, su transformación en b-queratina, lo que conduce a un aumento de longitud (una vuelta completa de la espiral de 0.52 nm se extiende hasta 1.2 nm en configuración b). Esta es una de las principales razones por las que muchos estudios se han centrado en el queratín para recrearlo en forma sintética. La capa externa del cabello (cutícula), como ya sabemos, está compuesta por placas (de 0.3–0.5 μm de grosor y 40–60 μm de longitud).
Previo a esto, los científicos ya habían investigado las propiedades mecánicas del cabello de personas de diferentes grupos etarios y étnicos. Sin embargo, en este trabajo se enfatizó el estudio de las diferencias en las propiedades mecánicas del cabello de diferentes especies animales, a saber: humanos, caballos, osos, jabalíes, capibaras, pecaríes, jirafas y elefantes.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1: morfología del cabello humano (A — cutícula; En — fractura del córtex; mostrando los extremos de las fibras, Con — superficie de la fractura, donde se pueden ver tres capas; ataques — superficie lateral del córtex, mostrando la elongación de la fibra).
El cabello de un adulto tiene un diámetro de aproximadamente 80-100 μm. Con un cuidado adecuado, la apariencia de su cabello es bastante íntegra (1A). El componente interno del cabello humano es el córtex fibroso. Después de las pruebas de tensión, se encontró que la cutícula y el córtex del cabello humano se rompían de manera diferente: la cutícula generalmente se rompía de forma abrasiva (se desquebrajaba), mientras que las fibras de queratina en el córtex se deslaminaron y se alargaron desde la estructura general (1B).
En la imagen 1C se puede observar claramente la superficie frágil de la cutícula con la visualización de capas que son placas superpuestas de la cutícula y tienen un grosor de 350–400 nm. El deslaminado observado en la superficie de la fractura, así como la naturaleza frágil de esta superficie, muestra la débil vinculación interfacial entre la cutícula y el córtex, así como entre las fibras dentro del córtex.
Las fibras de queratina en el córtex estaban deslaminadas (1D). Esto indica que el córtex fibroso es el principal responsable de la resistencia mecánica del cabello.
Imagen No. 2: morfología del cabello de caballo (A — cutícula, algunas placas de las cuales están ligeramente desalineadas debido a la falta de cuidado; En — apariencia de la ruptura; Con — detalles de la ruptura del córtex, donde se puede ver la cutícula desprendida; ataques — detalles de la cutícula).
La estructura del cabello de los caballos es similar a la de los humanos, exceptuando el diámetro, que es un 50% mayor (150 μm). En la imagen 2A Se pueden observar daños visibles en la cutícula, donde muchas capas no están tan unidas al eje como lo están en el cabello humano. El lugar de ruptura del cabello de caballo contiene tanto una fractura común como una ruptura del cabello (deslaminación de las capas de la cutícula). En 2B se aprecian ambas variantes de daños. En las áreas donde las capas se han desprendido por completo, se observa la interfaz entre la cutícula y el córtex (2C). Varias fibras han sido arrancadas y se están deslaminando en el área de interfaz. Al comparar estos datos de observación con los anteriores (cabello humano), tales destrucciones indican que el cabello del caballo no ha experimentado la misma tensión intensa que el cabello humano, cuando las fibras en el córtex fueron estiradas y completamente separadas de la cutícula. También se ve que algunas capas se han desconectado del eje, lo que puede estar relacionado con la tensión de tracción (2D).
Imagen No. 3: morfología del cabello de oso (A — cutícula; En — daños en dos puntos relacionados con el área de ruptura; Con — agrietamiento de la cutícula con deslaminación de fibras en el córtex; ataques — detalles de la estructura de las fibras, se ven varias fibras alargadas de la estructura general).
El grosor del cabello de oso es de 80 μm. Las capas de la cutícula están extremadamente unidas entre sí (3A), y en algunas áreas incluso es difícil distinguir las capas individuales. Esto puede asociarse a la fricción del cabello con las capas adyacentes. Bajo tensión de tracción, estos cabellos literalmente se fracturaron con la aparición de largas grietas (inserción en 3B), lo que indica que con un efecto de unión débil de la cutícula dañada, las fibras de queratina en el córtex se deslaminaron fácilmente. La deslaminación del córtex provoca una ruptura en la cutícula, lo que se respalda con el patrón en zigzag de la fractura (3C). Esta tensión provoca que algunas fibras sean extraídas del córtex (3D).
Imagen No. 4: morfología del cabello de cerdo (A — fractura plana común del cabello; En — la estructura de la cutícula muestra un mal estado de integridad (agrupación) de las capas; Con — detalles de la ruptura en la interfaz entre la cutícula y el córtex; ataques — fibras extraídas de la masa general y fibrillas resaltadas).
El cabello del cerdo es bastante grueso (230 mm), especialmente en comparación con el de oso. La ruptura del cabello de cerdo al dañarse se ve bastante claramente (4A) perpendicular a la dirección de la tensión al ser estirado.
Las pequeñas placas expuestas de la cutícula fueron desprendidas del cuerpo principal del cabello debido al estiramiento de sus bordes (4B).
En la superficie de la zona de fractura se puede ver claramente la separación de las fibras, también se observa que estaban muy estrechamente unidas entre sí dentro del córtex (4C). Solo las fibras en la interfaz entre el córtex y la cutícula fueron expuestas debido a la separación (4D), lo que reveló la presencia de gruesos fibrillos del córtex (250 nm de diámetro). Algunos de los fibrillos sobresalían ligeramente debido a la deformación. Se supone que sirven como refuerzo para el cabello del jabalí.
Imagen Nº 5: morfología del cabello del elefante (A — Con) y de la jirafa (ataques — F). A — cutícula; En — fractura escalonada del cabello; Con — vacíos dentro del cabello indican dónde fueron arrancadas las fibras. ataques — placas cuticulares; E — fractura limpia del cabello; F — fibras arrancadas de la superficie en el área de fractura.
Los cabellos de un elefante joven pueden tener un grosor de alrededor de 330 μm, mientras que en un adulto puede alcanzar hasta 1.5 mm. Las placas en la superficie son difíciles de distinguir (5A). El cabello del elefante también tiende a romperse de manera normal, es decir, a presentar una ruptura limpia al ser estirado. Además, la morfología de la superficie de la ruptura muestra un aspecto escalonado (5B), posiblemente debido a la presencia de defectos menores en el córtex del cabello. En la superficie de la ruptura también se pueden ver algunos pequeños orificios, donde antes de la lesión probablemente se encontraban fibrillas de refuerzo (5C).
El cabello de la jirafa también es bastante grueso (370 μm), aunque la disposición de las placas cuticulares no es tan clara (5D). Se considera que esto está relacionado con su daño por diversos factores ambientales (por ejemplo, fricción con árboles durante la alimentación). A pesar de las diferencias, la ruptura del cabello en la jirafa fue similar a la del elefante (5F).
Imagen Nº 6: morfología del cabello de la capibara (A — doble estructura cuticular de las placas; En — ruptura de la doble estructura; Con — fibras cerca de la frontera de la ruptura parecen frágiles y rígidas; ataques — fibras alargadas de la zona de ruptura de la doble estructura).
Los cabellos de la capibara y el pecarí se diferencian de todos los demás cabellos estudiados. En la capibara, la principal diferencia es la presencia de una configuración doble de la cutícula y la forma ovalada del cabello (6A). La ranura entre las dos partes reflejadas del cabello es necesaria para una rápida eliminación del agua del pelaje del animal, así como para una mejor ventilación, lo que permite un secado más rápido. Al aplicar tensión, el cabello se divide en dos partes a lo largo de la ranura, y cada una de las partes se destruye (6B). Muchas fibras del córtex se separan y estiran (6C y 6D).
Imagen nº 7: morfología del cabello del pecarí (A — estructura de la cutícula y lugar de ruptura; En — morfología de la destrucción del córtex y detalles de su estructura; Con — células cerradas (20 µm de diámetro), cuyas paredes están compuestas de fibras; ataques — paredes de las células).
En los pecaríes (familia Tayassuidae, es decir, los pecaríes) el cabello tiene un córtex poroso, y la capa de cutícula no presenta placas definidas (7A). El córtex del cabello contiene células cerradas de 10-30 µm (7B), cuyas paredes están constituidas por fibras de queratina (7C). Estas paredes son bastante porosas, y el tamaño de un poro es de aproximadamente 0.5-3 µm (7D).
Como se puede ver en la imagen 7A, sin el apoyo del córtex fibroso, la cutícula se agrieta a lo largo de la línea de ruptura y las fibras se estiran en algunos lugares. Esta estructura del cabello es necesaria para que el cabello sea más vertical, aumentando visualmente el tamaño del animal, lo que podría ser un mecanismo de defensa del pecarí. El cabello del pecarí es bastante resistente a la compresión, pero no soporta bien la tensión.
Después de desentrañar las características estructurales del cabello de diferentes animales, así como sus tipos de daños causados por la tensión, los científicos comenzaron a describir las propiedades mecánicas.
Imagen nº 8: diagrama de deformación para cada uno de los tipos de cabello y esquema del dispositivo experimental para obtener datos (velocidad de deformación de 10-2 s-1).
Como se puede ver en el gráfico anterior, la respuesta a la tensión en el cabello de diferentes especies animales fue bastante distinta. Así, el cabello del ser humano, el caballo, el jabalí y el oso mostró una respuesta similar a la reacción de la lana (no de ninguna, sino del material textil).
Con un módulo de elasticidad relativamente alto, de 3.5–5 GPa, las curvas constan de una región lineal (elástica), seguida de un plateau con un crecimiento lento de la tensión hasta una deformación de 0.20–0.25, después de lo cual la velocidad de endurecimiento aumenta significativamente hasta la deformación de ruptura de 0.40. La zona del plateau se refiere al desenrollado. y-estructura en espiral de filamentos intermedios de queratina, que en algunos casos pueden (parcialmente) transformarse en b-hojas (estructuras planas). El desenrollado completo lleva a una deformación de 1.31, que es significativamente mayor que al final de esta etapa (0.20–0.25).
La parte cristalina y filamentosa de la estructura está rodeada por una matriz amorfa que no se transforma. La parte amorfa representa alrededor del 55% del volumen total, pero solo cuando el diámetro de los filamentos intermedios es de 7 nm y están separados por material amorfo de 2 nm. Estas cifras precisas se derivaron de investigaciones anteriores.
En la etapa de deformación, caracterizada por el endurecimiento, ocurre el deslizamiento entre las fibras corticadas, así como entre elementos estructurales más pequeños, como microfibrillas, filamentos intermedios y la matriz amorfa.
Los pelos de jirafa, elefante y pecarí muestran una respuesta de endurecimiento relativamente lineal sin una clara distinción entre los platós y las áreas de endurecimiento rápido (picos). El módulo de elasticidad es relativamente bajo, alrededor de 2 GPa.
A diferencia de otras especies, los pelos de la capibara muestran una respuesta caracterizada por un rápido endurecimiento, a la que se aplican tensiones secuenciales. Esta observación se relaciona con la inusual estructura del pelo de la capibara, más precisamente con la presencia de dos partes simétricas y una hendidura longitudinal entre ellas.
Investigaciones anteriores ya han señalado que el módulo de Young (módulo de elasticidad longitudinal) disminuye al aumentar el diámetro del pelo en diferentes especies animales. En estos estudios se observó que el módulo de Young en el pecarí es significativamente más bajo que en otros animales, lo que puede estar relacionado con la porosidad de la estructura de su pelo.
Es curioso también que el pecarí tenga áreas negras y blancas en el pelo (bicoloridad). Las roturas durante la tensión ocurren con mayor frecuencia precisamente en el área blanca del pelo. La mayor resistencia de la zona negra se explica por la presencia de melanocitos, que se encuentran exclusivamente en los pelos negros.
Todas estas observaciones son de hecho únicas, pero queda la pregunta principal: ¿juegan un papel las dimensiones del pelo en su resistencia?
Si se describen los pelos en los mamíferos, se pueden destacar los principales hechos que son conocidos por los investigadores:
- en la mayoría de las especies, los pelos son más gruesos en la parte central y se estrechan hacia el final; el pelaje de los animales salvajes es más grueso debido a su entorno;
- los cambios en el diámetro de los pelos de una misma especie muestran que el grosor de la mayoría de los pelos varía dentro del rango general de grosor para esa especie animal. El grosor de los pelos puede diferir entre los diferentes representantes de una especie, sin embargo, todavía se desconoce qué influye en esta diferencia;
- diferentes especies de mamíferos tienen distintos grosores de pelos (por banal que parezca).
Resumiendo estos hechos de acceso público y los datos obtenidos a través de experimentos, los científicos pudieron correlacionar todos los resultados para formar dependencias entre el grosor del pelo y su resistencia.
Imagen No. 9: relación entre el grosor del pelo y su resistencia en diferentes especies de animales.
Debido a las diferencias en el diámetro y la extensibilidad de los pelos, los científicos decidieron investigar si era posible predecir su tensión de ruptura basada en la estadística de Weibull, que puede considerar específicamente las diferencias en el tamaño de la muestra y el tamaño resultante del defecto.
Se asume que el segmento del pelo con volumen V consiste en n elementos de volumen, donde cada unidad de volumen V0 tiene una distribución de defectos similar. Utilizando la suposición del eslabón más débil, a un nivel de tensión dado σ la probabilidad P de mantener la integridad de este segmento de pelo con volumen V puede expresarse como el producto de las probabilidades adicionales de mantener la integridad de cada uno de los elementos de volumen, a saber:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
donde el volumen V contiene n elementos de volumen V0. Al aumentar la tensión P(V) naturalmente disminuye.
Utilizando la distribución de Weibull de dos parámetros, la probabilidad de ruptura de todo el volumen puede expresarse como:
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
donde σ — tensión aplicada, σ0 — resistencia característica (de referencia), y m — el módulo de Weibull, que es una medida de la variabilidad de las propiedades. Cabe señalar que la probabilidad de ruptura aumenta con el incremento del volumen de la muestra V a tensión constante σ.
En el gráfico 9А se muestra la distribución de Weibull de las tensiones de ruptura experimentales para el cabello humano y el cabello de capibara. Las curvas para otras especies se predijeron utilizando la fórmula n.º 2 con el mismo valor de m que para el cabello humano (m = 0.11).
Se utilizaron los siguientes diámetros promedio: jabalí — 235 µm, caballo — 200 µm, pecarí — 300 µm, oso — 70 µm, cabello de elefante — 345 µm y jirafa — 370 µm.
Partiendo de que la tensión de ruptura puede determinarse en P(V) = 0.5, estos resultados muestran que la tensión de ruptura disminuye con el aumento del diámetro del cabello en diferentes especies.
En el gráfico 9B se presentan las tensiones de ruptura pronosticadas con un 50% de probabilidad de falla (P(V) = 0.5) y la tensión de ruptura experimental promedio para diferentes especies.
Se hace evidente que, al aumentar el diámetro del cabello de 100 a 350 µm, su tensión de ruptura disminuye de 200–250 MPa a 125–150 MPa. Los resultados de la modelización de la distribución de Weibull concuerdan perfectamente con los resultados de las observaciones reales. La única excepción son los cabellos de pecarí, ya que son extremadamente porosos. La resistencia real del cabello de pecarí es inferior a lo que mostró la modelización de la distribución de Weibull.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a y a ello.
Epílogo
La conclusión principal de las observaciones anteriores es que los cabellos gruesos no son equivalentes a los resistentes. Sin embargo, como dicen los propios científicos, esta afirmación no es un descubrimiento del milenio, ya que observaciones similares se han realizado al estudiar alambres metálicos. Aquí no se trata ni de física, mecánica o biología, sino de estadística: cuanto mayor es el objeto, mayor es el espacio para los defectos.
Los científicos creen que el estudio que hemos revisado hoy ayudará a sus colegas a crear nuevos materiales sintéticos. El problema principal es que, a pesar del desarrollo de las tecnologías modernas, aún no son capaces de crear algo similar al cabello humano o de elefante. Pues crear algo tan pequeño ya es un desafío, sin mencionar su compleja estructura.
Como podemos ver, esta investigación ha demostrado que no solo la seda de araña merece la atención de los científicos como inspiración para materiales superfuertes y ligeros, sino que también el cabello humano puede sorprender por sus propiedades mecánicas y sorprendente resistencia.
Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos. 🙂
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Fuente: habr.com
