El cabello para una persona moderna no es más que un elemento de autoidentificación visual, parte de la imagen y la imagen. A pesar de ello, estas formaciones córneas de la piel tienen varias funciones biológicas importantes: protección, termorregulación, tacto, etc. ¿Qué tan fuerte es nuestro cabello? Al final resultó que, son muchas veces más fuertes que el pelo de elefante o jirafa.
Hoy conoceremos un estudio en el que científicos de la Universidad de California (EE.UU.) decidieron comprobar cómo se correlacionan el grosor del pelo y su fuerza en diferentes especies animales, incluido el hombre. ¿De quién es el cabello más fuerte, qué propiedades mecánicas tienen los diferentes tipos de cabello y cómo puede esta investigación ayudar a desarrollar nuevos tipos de materiales? Aprendemos sobre esto por el informe de los científicos. Ir.
Base de investigación
El pelo, compuesto en gran parte por la proteína queratina, es la formación córnea de la piel de los mamíferos. De hecho, pelo, lana y pelaje son sinónimos. La estructura del cabello está formada por placas de queratina que se superponen entre sí, como fichas de dominó que caen unas sobre otras. Cada cabello tiene tres capas: la cutícula es la capa exterior y protectora; corteza: la corteza, que consta de células muertas alargadas (importante para la fuerza y elasticidad del cabello, determina su color debido a la melanina) y la médula, la capa central del cabello, que consiste en células de queratina blandas y cavidades de aire, que es Interviene en la transferencia de nutrientes a otras capas.
Si el cabello se divide verticalmente, obtenemos una sección subcutánea (tallo) y una sección subcutánea (bulbo o raíz). El bulbo está rodeado por un folículo, cuya forma determina la forma del cabello mismo: un folículo redondo es recto, un folículo ovalado es ligeramente rizado y un folículo con forma de riñón es rizado.
Muchos científicos sugieren que la evolución humana está cambiando debido al progreso tecnológico. Es decir, algunos órganos y estructuras de nuestro cuerpo se vuelven gradualmente rudimentarios, aquellos que han perdido su propósito previsto. Estas partes del cuerpo incluyen 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. Es difícil decir si esto es cierto o no, pero para muchas personas comunes y corrientes, las muelas del juicio, por ejemplo, están asociadas con una visita al dentista para su inevitable extracción.
Sea como fuere, una persona necesita cabello; puede que ya no desempeñe un papel vital en la termorregulación, pero sigue siendo una parte integral de la estética. Lo mismo puede decirse de la cultura mundial. En muchos países, desde tiempos inmemoriales, el cabello era considerado la fuente de toda fuerza, y cortarlo se asociaba con posibles problemas de salud e incluso fracasos en la vida. El significado sagrado del cabello migró de los rituales chamánicos de las tribus antiguas a las religiones más modernas, a las obras de escritores, artistas y escultores. En particular, la belleza femenina a menudo estaba estrechamente relacionada con la apariencia o la representación del cabello de las bellas damas (por ejemplo, en las pinturas).
Observe con qué detalle se representa el cabello de Venus (Sandro Botticelli, “El nacimiento de Venus”, 1485).
Dejemos de lado el aspecto cultural y estético del cabello y comencemos a considerar las investigaciones de los científicos.
El pelo, de una forma u otra, está presente en muchas especies de mamíferos. Si para los humanos ya no son tan importantes desde un punto de vista biológico, para otros representantes del mundo animal la lana y las pieles son atributos vitales. Al mismo tiempo, en cuanto a su estructura básica, el cabello humano y, por ejemplo, el pelo de elefante son muy similares, aunque existen diferencias. El más obvio de ellos son las dimensiones, porque el pelo de elefante es mucho más grueso que el nuestro, pero resultó que no es más fuerte.
Los científicos llevan bastante tiempo estudiando el pelo y la lana. Los resultados de estos trabajos se implementaron tanto en cosmetología y medicina como en la industria ligera (o, como diría el conocido Kalugina L.P.: "industria ligera"), o más precisamente en la industria textil. Además, el estudio del cabello ha ayudado mucho al desarrollo de biomateriales a base de queratina, que a principios del siglo pasado aprendieron a aislar de los cuernos de los animales utilizando cal.
La queratina así obtenida se utilizaba para crear geles que podían reforzarse añadiendo formaldehído. Más tarde, aprendieron a aislar la queratina no sólo de los cuernos de los animales, sino también de su pelaje, así como del cabello humano. Las sustancias a base de queratina se han utilizado en cosméticos, composites e incluso en recubrimientos para tabletas.
Hoy en día, la industria del estudio y producción de materiales ligeros y duraderos se está desarrollando rápidamente. El cabello, al serlo de forma natural, es uno de los materiales naturales que inspira este tipo de investigaciones. Consideremos la resistencia a la tracción de la lana y el cabello humano, que oscila entre 200 y 260 MPa, lo que equivale a una resistencia específica de 150-200 MPa/mg m-3. Y esto es casi comparable al acero (250 MPa/mg m-3).
El papel principal en la formación de las propiedades mecánicas del cabello lo desempeña su estructura jerárquica, que recuerda a una muñeca matrioska. El elemento más importante de esta estructura es la corteza interna de las células corticales (diámetro de aproximadamente 5 μm y longitud de 100 μm), que consta de macrofibrillas agrupadas (diámetro de aproximadamente 0.2-0.4 μm), que, a su vez, constan de filamentos intermedios (7.5 nm). de diámetro), incrustado en una matriz amorfa.
Las propiedades mecánicas del cabello, su sensibilidad a la temperatura, la humedad y la deformación son el resultado directo de la interacción de los componentes amorfos y cristalinos de la corteza. Las fibras de queratina de la corteza del cabello humano suelen tener un alto alargamiento, con una tensión de tracción de más del 40%.
Un valor tan alto se debe al desenrollado de la estructura. а-queratina y, en algunos casos, su transformación en b-queratina, que conduce a un aumento de longitud (una vuelta completa de una hélice de 0.52 nm se estira a 1.2 nm en la configuración b). Esta es una de las principales razones por las que muchos estudios se han centrado específicamente en la queratina para recrearla en forma sintética. Pero la capa exterior del cabello (cutícula), como ya sabemos, consta de placas (de 0.3 a 0.5 micrones de espesor y de 40 a 60 micrones de longitud).
Anteriormente, los científicos ya habían realizado investigaciones sobre las propiedades mecánicas del cabello de personas de diferentes edades y grupos étnicos. En este trabajo se puso énfasis en estudiar las diferencias en las propiedades mecánicas del pelo de diferentes especies animales, a saber: humanos, caballos, osos, jabalíes, capibaras, pecaríes, jirafas y elefantes.
Resultados de la investigación
Imagen #1: Morfología del cabello humano (А - cutícula; В - fractura de corteza; mostrando los extremos de las fibras, С — la superficie de la falla, donde son visibles tres capas; D - superficie lateral de la corteza, que muestra el alargamiento de las fibras).
Un cabello humano adulto tiene entre 80 y 100 micras de diámetro. Con el cuidado normal del cabello, su apariencia es bastante holística (1А). El componente interno del cabello humano es la corteza fibrosa. Después de pruebas de tracción, se descubrió que la cutícula y la corteza del cabello humano se rompían de manera diferente: la cutícula generalmente se rompía abrasivamente (se arrugaba) y las fibras de queratina en la corteza se desprendían y arrancaban de la estructura general (1V).
En la foto 1S La frágil superficie de la cutícula es claramente visible al visualizar las capas, que son placas de cutícula superpuestas y tienen un espesor de 350 a 400 nm. La delaminación observada en la superficie de la fractura, así como la naturaleza frágil de esta superficie, indica una comunicación interfacial débil entre la cutícula y la corteza, y entre las fibras dentro de la corteza.
Se exfoliaron las fibras de queratina en la corteza (1D). Esto sugiere que la corteza fibrosa es la principal responsable de la resistencia mecánica del cabello.
Imagen No. 2: Morfología de la crin (А - cutícula, algunas de las cuales están ligeramente desviadas por falta de cuidado; В - aparición de la rotura; С — detalles de la rotura de la corteza, donde se ve la cutícula rota; D - detalles de la cutícula).
La estructura del pelo de caballo es similar a la del cabello humano, excepto por el diámetro, que es un 50% mayor (150 micras). En la imagen 2А Se pueden ver daños evidentes en la cutícula, donde muchas de las placas no están tan estrechamente conectadas al tallo como lo estaban en el cabello humano. El sitio de rotura de crin contiene tanto una rotura normal como una rotura de cabello (delaminación de las placas de la cutícula). En 2V Ambos tipos de daños son visibles. En áreas donde las laminillas han sido completamente arrancadas, la interfaz entre la cutícula y la corteza es visible (2S). Varias fibras se rompieron y se deslaminaron en la interfaz. Comparando estas observaciones con observaciones anteriores (cabello humano), tales fallas indican que el pelo de caballo no experimentó tanto estrés como el cabello humano cuando las fibras de la corteza se arrancaron y se separaron completamente de la cutícula. También se puede observar que algunas placas se han desprendido de la varilla, lo que puede deberse a esfuerzos de tracción (2D).
Imagen #3: Morfología del pelo de oso (А - cutícula; В — daños en dos puntos asociados con la zona de rotura; С — agrietamiento de la cutícula con deslaminación de las fibras en la corteza; D - detalles de la estructura de las fibras, se ven varias fibras alargadas de la estructura general).
El grosor del pelo de un oso es de 80 micras. Las placas de la cutícula están muy unidas entre sí (3А), y en algunas zonas incluso resulta difícil distinguir las placas individuales. Esto puede deberse a la fricción del cabello contra los vecinos. Bajo tensión de tracción, estos pelos literalmente se parten con la aparición de largas grietas (insertadas en 3B), lo que indica que con el débil efecto de unión de la cutícula dañada, las fibras de queratina en la corteza se deslaminaban fácilmente. La delaminación de la corteza provoca una rotura en la cutícula, como lo demuestra el patrón en zigzag de la rotura (3S). Esta tensión hace que algunas fibras se salgan de la corteza (3D).
Imagen No. 4: morfología del pelo de jabalí (А - fractura fina y plana ordinaria; В — la estructura de la cutícula demuestra un mal estado de integridad (agrupación) de las placas; С — detalles del espacio en la interfaz entre la cutícula y la corteza; D - fibras alargadas de la masa total y fibrillas que sobresalen).
El pelo de jabalí es bastante grueso (230 mm), especialmente en comparación con el pelo de oso. El desgarro del pelo de jabalí cuando está dañado se ve con bastante claridad (4А) perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción.
Placas de cutícula expuestas relativamente pequeñas se arrancaron del cuerpo principal del cabello debido al estiramiento de sus bordes (4V).
En la superficie de la zona de destrucción, la delaminación de las fibras es claramente visible; también está claro que estaban muy estrechamente conectadas entre sí dentro de la corteza (4S). Sólo las fibras en la interfaz entre la corteza y la cutícula quedaron expuestas debido a la separación.4D), que reveló la presencia de fibrillas corticales gruesas (250 nm de diámetro). Algunas de las fibrillas sobresalían ligeramente debido a la deformación. Se supone que sirven como agente fortalecedor del pelo del jabalí.
Imagen #5: Morfología del pelo de elefante (А - С) y jirafa (D - F). А - cutícula; В - rotura del cabello paso a paso; С - Los huecos en el interior del cabello indican dónde se arrancaron las fibras. D - placas cuticulares; Е - rotura uniforme del cabello; F - fibras arrancadas de la superficie en el área de la fractura.
El pelo de una cría de elefante puede tener un grosor de unas 330 micras, y en un adulto puede alcanzar los 1.5 mm. Las placas en la superficie son difíciles de distinguir (5А).El pelo de elefante también es propenso a sufrir una degradación normal, es decir. a la fractura por tracción pura. Además, la morfología de la superficie de la fractura muestra una apariencia escalonada (5V), posiblemente debido a la presencia de defectos menores en la corteza del cabello. También se pueden ver algunos pequeños agujeros en la superficie de la fractura, donde probablemente se encontraban fibrillas de refuerzo antes del daño (5S).
El pelo de la jirafa también es bastante grueso (370 micras), aunque la disposición de las placas de la cutícula no es tan clara (5D). Se cree que esto se debe a su daño por diversos factores ambientales (por ejemplo, la fricción contra los árboles durante la alimentación). A pesar de las diferencias, la rotura del pelo de la jirafa era similar a la del elefante (5F).
Imagen No. 6: morfología del pelo del carpincho (А - doble estructura cuticular de las placas; В — rotura de la doble estructura; С — las fibras cercanas al límite de rotura parecen quebradizas y rígidas; D - fibras alargadas de la zona de rotura de la doble estructura).
El pelo de capibaras y pecaríes es diferente de todos los demás pelos estudiados. En el capibara, la principal diferencia es la presencia de una configuración de doble cutícula y una forma de pelo ovalada (6А). El surco entre las dos partes espejadas del pelo es necesario para eliminar más rápidamente el agua del pelaje del animal, así como para una mejor ventilación, lo que permite que se seque más rápido. Cuando se somete a estiramiento, el cabello se divide en dos partes a lo largo del surco y cada parte se destruye (6V). Muchas fibras de la corteza se separan y estiran (6S и 6D).
Imagen #7: Morfología del pelo de pecarí (А - estructura de la cutícula y lugar de rotura; В — morfología de la destrucción de la corteza y detalles de su estructura; С — células cerradas (de 20 micrones de diámetro), cuyas paredes están formadas por fibras; D - paredes celulares).
Los pecaríes (familia Tayassuidae, es decir. pecarí) el cabello tiene una corteza porosa y la capa de cutícula no tiene placas distintas (7А). La corteza del cabello contiene células cerradas que miden entre 10 y 30 micrones (7V), cuyas paredes están formadas por fibras de queratina (7S). Estas paredes son bastante porosas y el tamaño de un poro es de aproximadamente 0.5 a 3 micrones (7D).
Como se ve en la foto. 7А, sin el apoyo de la corteza fibrosa, la cutícula se agrieta a lo largo de la línea de rotura y las fibras se arrancan en algunos lugares. Esta estructura del pelo es necesaria para que el pelo sea más vertical, aumentando visualmente el tamaño del animal, lo que puede ser un mecanismo de defensa del pecarí. El pelo de pecarí resiste bastante bien la compresión, pero no soporta el estiramiento.
Habiendo comprendido las características estructurales del pelo de diferentes animales, así como sus tipos de daño debido a la tensión, los científicos comenzaron a describir las propiedades mecánicas.
Imagen No. 8: diagrama de deformación para cada tipo de cabello y diagrama del montaje experimental para la obtención de datos (tasa de deformación 10-2 s-1).
Como puede verse en el gráfico anterior, la respuesta al estiramiento del pelo de diferentes especies animales fue bastante diferente. Así, el pelo de una persona, un caballo, un jabalí y un oso mostró una reacción similar a la reacción de la lana (no la de otra persona, sino un material textil).
Con un módulo elástico relativamente alto de 3.5 a 5 GPa, las curvas constan de una región lineal (elástica), seguida de una meseta con una tensión que aumenta lentamente hasta una deformación de 0.20 a 0.25, después de la cual la velocidad de endurecimiento aumenta significativamente hasta un tensión de falla de 0.40. La zona de la meseta se refiere al descanso. а-estructura helicoidal de los filamentos intermedios de queratina, que en algunos casos pueden transformarse (parcialmente) en b-láminas (estructuras planas). El desenrollado completo provoca una deformación de 1.31, que es significativamente mayor que al final de esta etapa (0.20-0.25).
La parte cristalina de la estructura en forma de hilo está rodeada por una matriz amorfa que no se transforma. La parte amorfa constituye aproximadamente el 55% del volumen total, pero sólo si el diámetro de los filamentos intermedios es de 7 nm y están separados por 2 nm de material amorfo. Estos indicadores precisos se han obtenido en estudios anteriores.
Durante la etapa de endurecimiento de la deformación, se produce deslizamiento entre las fibras corticales, así como entre elementos estructurales más pequeños como microfibrillas, filamentos intermedios y la matriz amorfa.
Los pelos de jirafa, elefante y pecarí exhiben una respuesta de endurecimiento relativamente lineal sin una distinción clara entre mesetas y regiones de endurecimiento rápido (picos). El módulo de elasticidad es relativamente bajo y ronda los 2 GPa.
A diferencia de otras especies, el pelo del carpincho muestra una respuesta caracterizada por un rápido endurecimiento cuando se aplican tensiones sucesivas. Esta observación está asociada con la estructura inusual del cabello del capibara, o más precisamente con la presencia de dos partes simétricas y un surco longitudinal entre ellas.
Ya se han realizado estudios previos que indican que el módulo de Young (módulo elástico longitudinal) disminuye al aumentar el diámetro del pelo en diferentes especies animales. Estos trabajos observaron que el módulo de Young del pecarí es significativamente menor que el de otros animales, lo que puede deberse a la porosidad de su estructura capilar.
También es curioso que los pecaríes tengan zonas blancas y negras en el pelo (bicolor). Las roturas por tracción ocurren con mayor frecuencia en la zona blanca del cabello. La mayor resistencia de la zona negra se debe a la presencia de melanosomas, que se encuentran exclusivamente en el cabello negro.
Todas estas observaciones son verdaderamente únicas, pero la pregunta principal sigue siendo: ¿las dimensiones del cabello influyen en su fuerza?
Si describimos el pelo en los mamíferos, podemos resaltar los principales hechos que conocen los investigadores:
- en la mayoría de los tipos de cabello es más grueso en la parte central y se estrecha hacia la punta; El pelaje de los animales salvajes es más grueso debido a su hábitat;
- Las variaciones en el diámetro de los pelos de una especie indican que el grosor de la mayoría de los pelos varía dentro del rango de grosor general de una especie animal determinada. El grosor de los pelos puede diferir entre diferentes representantes de una misma especie, pero aún se desconoce qué influye en esta diferencia;
- Las diferentes especies de mamíferos tienen diferentes grosores de pelo (por muy cliché que parezca).
Al resumir estos hechos disponibles públicamente y los datos obtenidos durante los experimentos, los científicos pudieron comparar todos los resultados para establecer relaciones entre el grosor del cabello y su fuerza.
Imagen No. 9: la relación entre el grosor del pelo y su fuerza en diferentes especies animales.
Debido a las diferencias en el diámetro y la extensibilidad del cabello, los científicos decidieron ver si sus tensiones de tracción podían predecirse basándose en las estadísticas de Weibull, que pueden explicar específicamente las diferencias en el tamaño de la muestra y el tamaño del defecto resultante.
Se supone que un segmento de cabello con volumen V состоит из n elementos de volumen y cada unidad de volumen V0 tiene una distribución similar de defectos. Usando el supuesto del enlace más débil, a un nivel de voltaje dado σ probabilidad P Mantener la integridad de un segmento de cabello determinado con volumen. V se puede expresar como el producto de 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 esta el volumen V contiene n elementos de volumen V0. A medida que aumenta el voltaje P(V) naturalmente disminuye.
Utilizando una distribución de Weibull de dos parámetros, la probabilidad de falla de todo el volumen se puede expresar como:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)metro]
donde σ - voltaje aplicado, σ0 es la resistencia característica (de referencia), y m — Módulo de Weibull, que es una medida de la variabilidad de las propiedades. Vale la pena señalar que la probabilidad de destrucción aumenta al aumentar el tamaño de la muestra. V a voltaje constante σ.
en el gráfico 9А Se muestra la distribución de Weibull de tensiones de falla experimentales para cabello humano y de capibara. Las curvas para otras especies se predijeron usando la fórmula #2 con el mismo valor de m que para el cabello humano (m = 0.11).
Los diámetros promedio utilizados fueron: jabalí - 235 µm, caballo - 200 µm, pecarí - 300 µm, oso - 70 µm, pelo de elefante - 345 µm y jirafa - 370 µm.
Basado en el hecho de que la tensión de rotura se puede determinar en P(V) = 0.5, estos resultados indican que el estrés por falla disminuye al aumentar el diámetro del cabello en todas las especies.
en el gráfico 9V muestra las tensiones de ruptura previstas con un 50% de probabilidad de falla (P(V) = 0.5) y la tensión de rotura experimental promedio para diferentes especies.
Queda claro que a medida que el diámetro del cabello aumenta de 100 a 350 mm, su tensión de rotura disminuye de 200 a 250 MPa a 125 a 150 MPa. Los resultados de la simulación de la distribución de Weibull concuerdan excelentemente con los resultados de las observaciones reales. La única excepción es el pelo de pecarí, ya que es extremadamente poroso. La fuerza real del pelo de pecarí es menor que la mostrada por el modelo de distribución de Weibull.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar и a él.
El acto final
La principal conclusión de las observaciones anteriores es que el cabello grueso no es equivalente a un cabello fuerte. Es cierto que, como dicen los propios científicos, esta afirmación no es un descubrimiento del milenio, ya que se hicieron observaciones similares al estudiar alambre metálico. La cuestión aquí no es ni siquiera la física, la mecánica o la biología, sino la estadística: cuanto más grande es el objeto, mayor es el margen de defectos.
Los científicos creen que el trabajo que revisamos hoy ayudará a sus colegas a crear nuevos materiales sintéticos. El principal problema es que, a pesar del desarrollo de las tecnologías modernas, todavía no son capaces de crear algo parecido al pelo humano o de elefante. Después de todo, crear algo tan pequeño ya es un desafío, por no hablar de su compleja estructura.
Como podemos ver, este estudio ha demostrado que no sólo la seda de araña merece la atención de los científicos como inspiración para futuros materiales ultrarresistentes y ultraligeros, sino que también el cabello humano puede sorprender con sus propiedades mecánicas y su sorprendente resistencia.
Gracias por leer, sigan curiosos y que tengan una excelente semana, muchachos. 🙂
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Fuente: habr.com