Kaasaegse inimese juuksed pole midagi muud kui visuaalse enesemääramise element, osa pildist ja pildist. Vaatamata sellele täidavad need sarvjas nahamoodustised mitmeid olulisi bioloogilisi funktsioone: kaitse, termoregulatsioon, puudutus jne. Kui tugevad on meie juuksed? Nagu selgus, on need kordades tugevamad kui elevandi või kaelkirjaku karvad.
Täna tutvume uuringuga, mille käigus California ülikooli (USA) teadlased otsustasid katsetada, kuidas karva paksus ja tugevus korreleeruvad erinevatel loomaliikidel, sealhulgas inimestel. Kelle juuksed on kõige tugevamad, millised mehaanilised omadused on erinevatel juuksetüüpidel ja kuidas saab see uurimus aidata välja töötada uut tüüpi materjale? Sellest saame teada teadlaste aruandest. Mine.
Uurimistöö alus
Suures osas keratiinvalgust koosnev karv on imetajate naha sarvjas moodustis. Tegelikult on juuksed, vill ja karusnahk sünonüümid. Juuste struktuur koosneb keratiinplaatidest, mis kattuvad üksteisega nagu doominokivid, mis kukuvad üksteise peale. Igal karval on kolm kihti: küünenahk on välimine ja kaitsekiht; ajukoor - ajukoor, mis koosneb piklike surnud rakkudest (oluline juuste tugevuse ja elastsuse jaoks, määrab selle värvi melaniini tõttu) ja medulla - juuste keskne kiht, mis koosneb pehmetest keratiinrakkudest ja õhuõõnsustest, mis on osaleb toitainete ülekandmisel teistele kihtidele.
Kui juuksed jagunevad vertikaalselt, saame nahaaluse osa (võll) ja nahaaluse osa (sibul või juur). Sibulat ümbritseb folliikuli, mille kuju määrab karva enda kuju: ümmargune folliikul on sirge, ovaalne folliikul on kergelt lokkis, neerukujuline folliikuli lokkis.
Paljud teadlased väidavad, et inimkonna evolutsioon muutub tehnoloogia arengu tõttu. See tähendab, et mõned meie keha organid ja struktuurid muutuvad järk-järgult algeliseks - need, mis on kaotanud oma eesmärgi. Nende kehaosade hulka kuuluvad tarkusehambad, pimesool ja kehakarvad. Teisisõnu usuvad teadlased, et aja jooksul need struktuurid meie anatoomiast lihtsalt kaovad. Kas see vastab tõele või mitte, on raske öelda, kuid paljudele tavainimestele seostuvad näiteks tarkusehambad hambaarsti külastamisega nende vältimatuks eemaldamiseks.
Olgu kuidas on, juukseid on inimesel vaja, need ei pruugi enam termoregulatsioonis üliolulist rolli mängida, kuid siiski on see esteetika lahutamatu osa. Sama võib öelda maailma kultuuri kohta. Paljudes riikides peeti juukseid juba ammusest ajast kogu jõu allikaks ning nende lõikamist seostati võimalike terviseprobleemide ja isegi ebaõnnestumistega elus. Juuste püha tähendus rändas iidsete hõimude šamaanirituaalidest kaasaegsematesse religioonidesse, kirjanike, kunstnike ja skulptorite loomingusse. Eelkõige oli naiste ilu sageli tihedalt seotud sellega, kuidas armsate daamide juuksed välja nägid või kujutati (näiteks maalidel).
Pange tähele, kui üksikasjalikult on kujutatud Veenuse juukseid (Sandro Botticelli, “Veenuse sünd”, 1485).
Jätame kõrvale juuste kultuurilised ja esteetilised aspektid ning hakkame arvestama teadlaste uurimistööga.
Juuksed ühel või teisel kujul esinevad paljudel imetajate liikidel. Kui inimese jaoks pole need bioloogilisest vaatenurgast enam nii olulised, siis teistele loomamaailma esindajatele on vill ja karusnahk elutähtsad atribuudid. Samas on oma põhistruktuuri poolest inimese juuksed ja näiteks elevandikarvad väga sarnased, kuigi erinevusi on. Kõige ilmsemad neist on mõõtmed, sest elevandi karv on palju paksem kui meil, kuid nagu selgus, mitte tugevam.
Teadlased on juukseid ja villa uurinud juba mõnda aega. Nende tööde tulemusi rakendati nii kosmetoloogias ja meditsiinis kui ka kergetööstuses (või nagu ütleks tuntud Kalugina L. P.: “kergetööstus”), täpsemalt tekstiilis. Lisaks on karvade uurimine palju kaasa aidanud keratiinil põhinevate biomaterjalide väljatöötamisele, mida eelmise sajandi alguses õpiti lubja abil loomasarvedest isoleerima.
Nii saadud keratiini kasutati geelide loomiseks, mida sai tugevdada formaldehüüdi lisamisega. Hiljem õppisid nad keratiini isoleerima mitte ainult loomade sarvedest, vaid ka nende karusnahast, aga ka juustest. Keratiinil põhinevad ained on leidnud kasutust kosmeetikas, komposiitides ja isegi tableti katetes.
Tänapäeval areneb kiiresti vastupidavate ja kergete materjalide uurimise ja tootmise tööstus. Juuksed, olles loomulikult sellised, on üks looduslikest materjalidest, mis inspireerib seda tüüpi uurimistööd. Võtke arvesse villa ja juuste tõmbetugevust, mis jääb vahemikku 200–260 MPa, mis võrdub eritugevusega 150–200 MPa/mg m-3. Ja see on peaaegu võrreldav terasega (250 MPa / mg m-3).
Juuste mehaaniliste omaduste kujunemisel mängib peamist rolli nende hierarhiline struktuur, mis meenutab matrjoškat. Selle struktuuri kõige olulisem element on kortikaalsete rakkude sisekoor (läbimõõt umbes 5 μm ja pikkus 100 μm), mis koosneb rühmitatud makrofibrillidest (läbimõõt umbes 0.2–0.4 μm), mis omakorda koosnevad vahefilamentidest (7.5 nm). läbimõõduga ), mis on põimitud amorfsesse maatriksisse.
Juuste mehaanilised omadused, tundlikkus temperatuuri, niiskuse ja deformatsiooni suhtes on ajukoore amorfsete ja kristalsete komponentide koostoime otsene tulemus. Inimese juuksekoore keratiinkiududel on tavaliselt suur pikenemine ja tõmbetugevus on üle 40%.
Selline kõrge väärtus on tingitud konstruktsiooni lahtikerimisest а-keratiin ja mõnel juhul selle muundumine b-keratiin, mis viib pikkuse suurenemiseni (0.52 nm spiraali täispööre venitatakse konfiguratsioonis 1.2 nm-ni b). See on üks peamisi põhjuseid, miks paljud uuringud on keskendunud just keratiinile, et seda sünteetilisel kujul uuesti luua. Kuid juuste välimine kiht (kutiikul), nagu me juba teame, koosneb plaatidest (paksused 0.3–0.5 mikronit ja pikkused 40–60 mikronit).
Varem on teadlased juba läbi viinud uuringuid erinevatest vanuse- ja rahvusrühmadest pärit inimeste juuste mehaaniliste omaduste kohta. Antud töös pandi rõhku erinevate loomaliikide, nimelt inimeste, hobuste, karude, metssigade, kapübarade, pekarite, kaelkirjakute ja elevantide karvade mehaaniliste omaduste erinevuste uurimisele.
Uuringute tulemused
Pilt nr 1: juuste morfoloogia (А - küünenahk; В - ajukoore murd; näidatakse kiudude otsad, С — rikke pind, kus on näha kolm kihti; D - ajukoore külgpind, mis näitab kiudude pikenemist).
Täiskasvanud inimese juuksekarva läbimõõt on umbes 80-100 mikronit. Tavalise juuksehoolduse korral on nende välimus üsna terviklik (1А). Inimese juuste sisemine komponent on kiuline ajukoor. Pärast tõmbekatset leiti, et inimese juuste küünenahk ja ajukoor purunesid erinevalt: küünenahk purunes tavaliselt abrasiivselt (kortsus) ning ajukoores olevad keratiinkiud koorusid maha ja tõmmati üldisest struktuurist välja (1V).
Pildil 1S küünenaha habras pind on selgelt nähtav kihtide visualiseerimisel, mis on kattuvad küünenahaplaadid, mille paksus on 350–400 nm. Täheldatud delaminatsioon murrupinnal ja selle pinna rabedus viitavad nõrgale liidesele küünenaha ja ajukoore vahel ning ajukooresiseste kiudude vahel.
Ajukoores olevad keratiinkiud kooriti (1D). See viitab sellele, et kiuline ajukoor vastutab peamiselt juuste mehaanilise tugevuse eest.
Pilt nr 2: hobusejõhvi morfoloogia (А - küünenahk, mille mõned plaadid on hoolitsuse puudumise tõttu veidi kõrvale kaldunud; В - rebenemise välimus; С — üksikasjad ajukoore rebendi kohta, kus on näha rebenenud küünenahk; D - küünenaha detailid).
Hobusekarvade struktuur on sarnane inimese juustega, välja arvatud läbimõõt, mis on 50% suurem (150 mikronit). Pildil 2А Näete ilmseid kahjustusi küünenahale, kus paljud plaadid pole varrega nii tihedalt seotud kui juustes. Hobusejõhvi murdumise koht sisaldab nii tavalist katkemist kui ka karvamurdu (küünenahaplaatide delaminatsioon). Peal 2V Mõlemat tüüpi kahjustused on nähtavad. Piirkondades, kus lamellid on täielikult ära rebitud, on näha küünenaha ja ajukoore vaheline liides (2S). Mitmed kiud olid liideses rebenenud ja kihistunud. Võrreldes neid tähelepanekuid varasemate vaatlustega (inimkarvad), näitavad sellised ebaõnnestumised, et hobusekarvad ei kogenud nii palju stressi kui inimese juuksed, kui ajukoores olevad kiud tõmmati välja ja eraldusid küünenahast täielikult. Samuti on näha, et mõned plaadid on varda küljest lahti tulnud, mis võib olla tingitud tõmbepingest (2D).
Pilt nr 3: karukarvade morfoloogia (А - küünenahk; В — kahjustused kahes rebenemispiirkonnaga seotud punktis; С — küünenaha lõhenemine koos kiudude eraldumisega ajukoores; D - kiu struktuuri üksikasjad, nähtavad mitmed piklikud kiud üldstruktuurist).
Karu karva paksus on 80 mikronit. Küünenahaplaadid on väga tihedalt üksteise külge kinnitatud (3А) ja mõnes piirkonnas on üksikuid plaate isegi raske eristada. Selle põhjuseks võib olla juuste hõõrdumine naaberte vastu. Tõmbepinge all lõhenevad need karvad sõna otseses mõttes pikkade pragude tekkega (sisend 3B), mis näitab, et kahjustatud küünenaha nõrga sidumisefekti korral olid ajukoores olevad keratiinkiud kergesti eralduvad. Ajukoore delaminatsioon põhjustab küünenaha murdumise, mida tõendab murde siksakiline muster (3S). See pinge põhjustab mõnede kiudude ajukoorest väljatõmbamise (3D).
Pilt nr 4: kuldi karva morfoloogia (А - tavaline lame juuksepiiri murd; В — küünenaha struktuur näitab plaatide halba terviklikkust (rühmitamist); С — üksikasjad lõhe kohta küünenaha ja ajukoore vahel; D - kogumassist piklikud kiud ja väljaulatuvad fibrillid).
Metsise karv on üsna paks (230 mm), eriti võrreldes karukarvaga. Kuldide karvade rebenemine, kui see on kahjustatud, paistab üsna selgelt välja (4А) risti tõmbepinge suunaga.
Suhteliselt väikesed paljastatud küünenahaplaadid rebenesid juuste põhiosast nende servade venitamise tõttu (4V).
Hävitustsooni pinnal on selgelt näha kiudude kihistumine, samuti on selge, et need olid ajukoores üksteisega väga tihedalt seotud (4S). Eraldamise tõttu paljastusid ainult kiud ajukoore ja küünenaha vahelisel liidesel (4D), mis näitas paksude kortikaalsete fibrillide olemasolu (läbimõõt 250 nm). Mõned fibrillid jäid deformatsiooni tõttu kergelt välja. Need peaksid toimima metssea karva tugevdava vahendina.
Pilt nr 5: elevantide juuste morfoloogia (А - С) ja kaelkirjak (D - F). А - küünenahk; В - astmeline juuste murdmine; С - juuste sees olevad tühimikud näitavad, kus kiud on välja rebitud. D - küünenahaplaadid; Е - ühtlased juuksed katkevad; F - murru piirkonnas pinnalt rebitud kiud.
Elevandipoegade karv võib olla umbes 330 mikroni paksune ja täiskasvanud inimesel võib see ulatuda 1.5 mm-ni. Pinnal olevaid plaate on raske eristada (5А).Elevantide karvad on samuti altid normaalsele lagunemisele, st. puhta tõmbemurruni. Veelgi enam, murdepinna morfoloogia näitab astmelist välimust (5V), võib-olla väiksemate defektide tõttu juuksekoores. Murdepinnal on näha ka väikseid auke, kus enne kahjustust asusid tõenäoliselt tugevdavad fibrillid (5S).
Kaelkirjaku karv on samuti üsna paks (370 mikronit), kuigi küünenahaplaatide paigutus pole nii selge (5D). Arvatakse, et see on tingitud nende kahjustamisest erinevate keskkonnategurite poolt (näiteks hõõrdumine vastu puid toitumise ajal). Vaatamata erinevustele oli kaelkirjaku karvade katkemine sarnane elevandi omaga (5F).
Pilt nr 6: kapübaara juuste morfoloogia (А - plaatide kahekordne küünenaha struktuur; В — kaksikkonstruktsiooni purunemine; С — rebenemise piiri lähedal olevad kiud tunduvad rabedad ja jäigad; D - piklikud kiud topeltstruktuuri purunemise tsoonist).
Kapübarade ja pekarite karv erineb kõigist teistest uuritud karvadest. Kapübara puhul on peamiseks erinevuseks kahekordse küünenaha konfiguratsiooni ja ovaalse juuksekuju olemasolu (6А). Karva kahe peegelosa vaheline soon on vajalik nii looma karvast vee kiiremaks eemaldamiseks kui ka paremaks ventilatsiooniks, mis võimaldab kiiremini kuivada. Venitamisel jagunevad juuksed piki soont kaheks osaks ja iga osa hävib (6V). Paljud ajukoore kiud on eraldatud ja venitatud (6S и 6D).
Pilt nr 7: Peccary juuste morfoloogia (А - küünenaha struktuur ja rebenemiskoht; В — ajukoore hävimise morfoloogia ja selle struktuuri üksikasjad; С — suletud rakud (läbimõõt 20 mikronit), mille seinad koosnevad kiududest; D - rakuseinad).
Pekarid (pere Tayassuidae, st. pekaar) juustel on poorne ajukoor ja küünenaha kihil ei ole eristatavaid plaate (7А). Juuksekoor sisaldab suletud rakke suurusega 10-30 mikronit (7V), mille seinad koosnevad keratiinkiududest (7S). Need seinad on üsna poorsed ja ühe poori suurus on umbes 0.5-3 mikronit (7D).
Nagu pildilt näha 7А, ilma kiulise ajukooreta, küünenahk lõheneb piki murdejoont ja kiud tõmbuvad kohati välja. Selline karva struktuur on vajalik karva vertikaalsemaks muutmiseks, suurendades visuaalselt looma suurust, mis võib olla peka kaitsemehhanismiks. Peccary juuksed peavad kompressioonile üsna hästi vastu, kuid ei tule venitamisega toime.
Olles mõistnud erinevate loomade karvade struktuurseid iseärasusi ja nende pingetest tingitud kahjustusi, hakkasid teadlased kirjeldama mehaanilisi omadusi.
Pilt nr 8: iga juuksetüübi deformatsioonidiagramm ja andmete saamise eksperimentaalse seadistuse diagramm (deformatsioonikiirus 10-2 s-1).
Nagu ülaltoodud graafikult näha, reageeris erinevate loomaliikide karvade venitamine üsna erinevalt. Nii ilmnes inimese, hobuse, metssiga ja karu karvadel sarnane reaktsioon villa (mitte kellegi teise, vaid tekstiilmaterjali) reaktsiooniga.
Suhteliselt kõrge elastsusmooduli (3.5–5 GPa) korral koosnevad kõverad lineaarsest (elastsest) piirkonnast, millele järgneb aeglaselt kasvava pingega platoo kuni deformatsioonini 0.20–0.25, misjärel kõvenemise kiirus suureneb oluliselt kuni rikkepinge 0.40. Platoo ala viitab lahtikerimisele а-keratiini vahefilamentide spiraalne struktuur, mis mõnel juhul võib (osaliselt) transformeeruda b-lehed (tasapinnalised konstruktsioonid). Täielik lahtikerimine viib deformatsioonini 1.31, mis on oluliselt suurem kui selle etapi lõpus (0.20–0.25).
Struktuuri kristalset niidilaadset osa ümbritseb amorfne maatriks, mis ei muundu. Amorfne osa moodustab umbes 55% kogumahust, kuid ainult siis, kui vahefilamentide läbimõõt on 7 nm ja neid eraldab 2 nm amorfset materjali. Sellised täpsed näitajad on tuletatud varasemates uuringutes.
Deformatsiooni kõvenemisetapis toimub libisemine nii ajukoore kiudude kui ka väiksemate struktuurielementide, näiteks mikrofibrillide, vahefilamentide ja amorfse maatriksi vahel.
Kaelkirjaku-, elevandi- ja pekakarikarvadel on suhteliselt lineaarne kõvenemisreaktsioon, ilma selget vahet platoode ja kiire kõvenemise piirkondade (tippude) vahel. Elastsusmoodul on suhteliselt madal ja on umbes 2 GPa.
Erinevalt teistest liikidest on kapübaara karvadel reaktsioon, mida iseloomustab kiire kõvenemine järjestikuste pingete rakendamisel. See tähelepanek on seotud kapübara karva ebatavalise struktuuriga või täpsemalt kahe sümmeetrilise osa ja nendevahelise pikisuunalise soone olemasoluga.
Varasemad uuringud on juba läbi viidud, mis näitavad, et Youngi moodul (pikisuunaline elastsusmoodul) väheneb erinevatel loomaliikidel karva läbimõõdu suurenemisega. Nendes töödes märgiti, et pekari Youngi moodul on oluliselt madalam kui teistel loomadel, mis võib olla tingitud tema karvastruktuuri poorsusest.
Samuti on uudishimulik, et pekaritel on juustel nii mustad kui ka valged alad (kahevärvilised). Tõmbemurrud tekivad kõige sagedamini juuste valges piirkonnas. Musta ala suurenenud vastupanu on tingitud melanosoomide olemasolust, mida leidub eranditult mustades juustes.
Kõik need tähelepanekud on tõeliselt ainulaadsed, kuid põhiküsimus jääb: kas juuste mõõtmed mängivad selle tugevuses rolli?
Kui kirjeldame imetajate juukseid, võime esile tuua peamised teadlastele teadaolevad faktid:
- enamikul juuksetüüpidel on see keskosas paksem ja kitseneb otsa poole; Metsloomade karusnahk on nende elupaiga tõttu paksem;
- Ühe liigi karvade läbimõõdu kõikumised näitavad, et enamiku karvade paksus varieerub antud loomaliigi üldises paksusevahemikus. Karvade paksus võib sama liigi erinevatel esindajatel erineda, kuid mis seda erinevust mõjutab, pole siiani teada;
- Erinevatel imetajate liikidel on erinev juuste paksus (nii klišeelik, kui see ka ei kõla).
Neid avalikult kättesaadavaid fakte ja katsete käigus saadud andmeid kokku võttes suutsid teadlased kõiki tulemusi võrrelda, et luua seos juuste paksuse ja tugevuse vahel.
Pilt nr 9: karva paksuse ja selle tugevuse seos erinevatel loomaliikidel.
Juuste läbimõõdu ja venitatavuse erinevuste tõttu otsustasid teadlased uurida, kas nende tõmbepingeid saab ennustada Weibulli statistika põhjal, mis võib konkreetselt arvesse võtta valimi suuruse ja sellest tuleneva defekti suuruse erinevusi.
Eeldatakse, et juuksesegment mahuga V состоит из n ruumala elemente ja iga ruumalaühikut V0 sellel on sarnane defektide jaotus. Kasutades nõrgima lüli eeldust, antud pingetasemel σ tõenäosus P antud juuksesegmendi terviklikkuse säilitamine mahuga V saab väljendada iga mahuelemendi terviklikkuse säilitamise täiendavate tõenäosuste korrutisena, nimelt:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
kus on helitugevus V sisaldab n mahuelementi V0. Pinge kasvades P(V) väheneb loomulikult.
Kaheparameetrilise Weibulli jaotuse abil saab kogu ruumala rikke tõenäosust väljendada järgmiselt:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
kus σ — rakendatud pinge, σ0 on iseloomulik (võrdlus)tugevus ja m — Weibulli moodul, mis on omaduste varieeruvuse mõõt. Väärib märkimist, et hävitamise tõenäosus suureneb koos valimi suuruse suurenemisega V konstantsel pingel σ.
Diagrammil 9А Näidatud on inimese ja kapübara juuste eksperimentaalsete rikete pingete Weibulli jaotus. Teiste liikide kõverad ennustati valemi nr 2 abil sama m väärtusega kui juuste puhul (m =
Keskmised kasutatud läbimõõdud olid: metssiga – 235 µm, hobune – 200 µm, pekaar – 300 µm, karu – 70 µm, elevandikarvad – 345 µm ja kaelkirjak – 370 µm.
Lähtudes sellest, et purunemispinget saab määrata kell P(V) = 0.5, näitavad need tulemused, et tõrgeteta stress väheneb karva läbimõõdu suurenemisega liikide lõikes.
Diagrammil 9V näitab prognoositud rebenemispingeid 50% rikke tõenäosusega (P(V) = 0.5) ja erinevate liikide keskmine katseline purunemispinge.
Selgub, et karva läbimõõdu kasvades 100–350 mm väheneb selle katkemispinge 200–250 MPa-lt 125–150 MPa-le. Weibulli jaotuse simulatsiooni tulemused on suurepäraselt kooskõlas tegelike vaatlustulemustega. Ainus erand on pekakarvad, kuna need on äärmiselt poorsed. Pekakarva tegelik tugevus on madalam kui Weibulli jaotuse modelleerimisel näidatud.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
Ülaltoodud tähelepanekute peamine järeldus on, et paksud juuksed ei ole samaväärsed tugevate juustega. Tõsi, nagu teadlased ise ütlevad, pole see väide aastatuhande avastus, kuna sarnaseid tähelepanekuid tehti ka metalltraadi uurimisel. Asi pole siin isegi mitte füüsikas, mehaanikas ega bioloogias, vaid statistikas – mida suurem objekt, seda suurem on vigu.
Teadlased usuvad, et täna läbi vaadatud töö aitab nende kolleegidel luua uusi sünteetilisi materjale. Peamine probleem seisneb selles, et vaatamata kaasaegsete tehnoloogiate arengule ei ole nad veel võimelised looma midagi sellist, nagu inimese või elevandi juuksed. Lõppude lõpuks on millegi nii väikese loomine juba väljakutse, rääkimata selle keerulisest struktuurist.
Nagu näeme, on see uuring näidanud, et mitte ainult ämbliksiid ei vääri teadlaste tähelepanu tulevaste ülitugevate ja ülikergete materjalide inspiratsiooniallikana, vaid ka inimese juuksed võivad üllatada oma mehaaniliste omaduste ja hämmastava tugevusega.
Täname lugemise eest, olge uudishimulikud ja head nädalat, poisid. 🙂
Mõned reklaamid 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, , algtaseme serverite ainulaadne analoog, mille me teie jaoks leiutasime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2x odavam Amsterdami Equinixi Tier IV andmekeskuses? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com