Pour l'homme moderne, les cheveux ne sont guère plus qu'un élément d'auto-identification visuelle, une partie de son image et de son style. Cela dit, ces formations cornées de la peau ont plusieurs fonctions biologiques importantes : protection, thermorégulation, sensibilité, etc. Quelle est donc la résistance de nos cheveux ? Il s'avère qu'ils sont plusieurs fois plus résistants que les poils d'un éléphant ou d'une girafe.
Aujourd'hui, nous allons explorer une étude menée par des chercheurs de l'Université de Californie (États-Unis) qui ont décidé d'examiner la corrélation entre l'épaisseur des cheveux et leur résistance chez différentes espèces animales, y compris l'homme. Quels cheveux se sont révélés les plus résistants, quelles propriétés mécaniques possèdent les cheveux des différentes espèces et comment cette recherche pourrait-elle contribuer au développement de nouveaux types de matériaux ? Nous allons découvrir cela grâce aux rapports des scientifiques. Allons-y.
Fondement de l'étude
Les cheveux, principalement composés de la protéine kératine, sont des formations cornées de la peau des mammifères. En fait, les cheveux, la fourrure et le pelage sont des synonymes. Structuellement, un cheveu se compose de plaques de kératine qui se superposent, comme des dominos tombés les uns sur les autres. Chaque cheveu a trois couches : la cuticule — la couche externe et protectrice ; le cortex — un matériau cortical composé de cellules mortes allongées (important pour la résistance et l'élasticité des cheveux, détermine leur couleur grâce à la mélanine) et la moelle — la couche centrale du cheveu, composée de cellules kératiniques douces et de cavités d'air, qui joue un rôle dans le transfert des nutriments vers les autres couches.
Si l'on divise un cheveu verticalement, nous obtiendrons une partie épidermique (tige) et une partie sous-cutanée (bulbe ou racine). Le bulbe est entouré par le follicule, dont la forme détermine également la forme du cheveu : follicule rond — raide, follicule ovale — légèrement ondulé, follicule en forme de rein — frisé.
De nombreux scientifiques suggèrent qu'en raison des progrès technologiques, l'évolution humaine change. Certains organes et structures de notre corps deviennent progressivement rudimentaires, ayant perdu leur fonction initiale. Parmi ces parties du corps, on peut compter les dents de sagesse, l'appendice et la pilosité. En d'autres termes, les scientifiques estiment qu'avec le temps, ces structures disparaîtront simplement de notre anatomie. Est-ce vrai ou non, c'est difficile à dire, mais pour beaucoup de gens, les dents de sagesse sont par exemple synonymes d'une visite chez le dentiste pour leur extraction inévitable.
Quoi qu'il en soit, les cheveux sont nécessaires à l'homme, même s'ils ne jouent peut-être plus un rôle crucial dans la thermorégulation, ils restent une partie intégrante de l'esthétique. On peut dire la même chose de la culture mondiale. Dans de nombreux pays, depuis des siècles, les cheveux sont considérés comme la source de toute force, et leur coupe était associée à de possibles problèmes de santé voire à des échecs dans la vie. La signification sacrée des cheveux a migré des rituels chamaniques des anciennes tribus vers des religions plus modernes, ainsi que dans les œuvres d'écrivains, d'artistes et de sculpteurs. En particulier, la beauté féminine a souvent été étroitement liée à l'apparence ou à la représentation (par exemple, dans des tableaux) des cheveux des dames.
Remarquez à quel point les cheveux de Vénus sont représentés avec détail (Sandro Botticelli, « La Naissance de Vénus », 1485).
Laissons de côté l'aspect culturel et esthétique des cheveux et passons à l'étude des chercheurs.
Les cheveux, sous une forme ou une autre, sont présents chez de nombreuses espèces de mammifères. S'ils ne sont plus si importants biologiquement pour l'homme, pour d'autres représentants du monde animal, la fourrure et le pelage sont des attributs vitaux. Cela dit, sur leur structure principale, les cheveux humains et ceux des éléphants, par exemple, sont très similaires, bien qu'il y ait des différences. La plus évidente est leur taille, car le poil de l'éléphant est beaucoup plus épais que le nôtre, mais, comme on l'a découvert, pas plus robuste.
Les scientifiques étudient les cheveux et la fourrure depuis un certain temps déjà. Les résultats de ces travaux ont été appliqués à la fois en cosmétologie et en médecine, ainsi que dans l'industrie légère (ou comme dirait la célèbre Kalugina L.P. : « l'industrie légère »), plus précisément dans le textile. De plus, l'étude des cheveux a grandement aidé dans le domaine du développement de biomatériaux à base de kératine, qui, dès le début du siècle dernier, ont été extraits des cornes des animaux à l'aide de chaux.
La kératine ainsi obtenue a été utilisée pour créer des gels, qui pouvaient être renforcés par l'ajout de formaldéhyde. Par la suite, l'extraction de la kératine a été réalisée non seulement à partir des cornes des animaux, mais aussi de leur fourrure, ainsi que des cheveux humains. Les substances créées à base de kératine ont trouvé leur application en cosmétique, dans les composites et même dans le revêtement des comprimés.
De nos jours, le secteur de l'étude et de la production de matériaux durables et légers se développe rapidement. Les cheveux, étant naturellement tels, sont l'un des matériaux naturels qui inspirent ce type de recherche. À lui seul, la limite de résistance à la traction de la fourrure et des cheveux humains, qui est de 200 à 260 MPa, équivalent à une résistance spécifique de 150-200 MPa / mg m-3, est pratiquement comparable à celle de l'acier (250 MPa / mg m-3).
Le rôle principal dans la formation des propriétés mécaniques des cheveux est joué par leur structure hiérarchique, ressemblant à une poupée russe. L'élément le plus important de cette structure est le cortex interne composé de cellules cuticulaires (diamètre d'environ 5 µm, longueur de 100 µm), formées de microfibrilles regroupées (diamètre d'environ 0,2 à 0,4 µm), qui, à leur tour, sont constituées de filaments intermédiaires (7,5 nm de diamètre) intégrés dans une matrice amorphe.
Les propriétés mécaniques des cheveux, leur sensibilité à la température, à l'humidité et à la déformation, sont le résultat direct de l'interaction entre les composants amorphes et cristallins du cortex. Les fibres kératiniques du cortex des cheveux humains ont généralement une grande élasticité, avec une déformation à la rupture supérieure à 40%.
Cette valeur élevée est due au déroulement de la structure plus-kératine et, dans certains cas, à sa transformation en b-kératine, ce qui entraîne une augmentation de la longueur (un tour complet de la spirale de 0,52 nm s'étire jusqu'à 1,2 nm dans la configuration b). C'est l'une des principales raisons pour lesquelles de nombreuses études se sont concentrées sur la kératine afin de la recréer sous une forme synthétique. La couche externe des cheveux (cuticule), comme nous le savons déjà, est composée de plaques (d'une épaisseur de 0,3 à 0,5 μm et de 40 à 60 μm de long).
Auparavant, des chercheurs avaient déjà étudié les propriétés mécaniques des cheveux de personnes de différents âges et groupes ethniques. Dans cet ouvrage, l'accent a été mis sur l'étude des différences des propriétés mécaniques des cheveux de différentes espèces animales, à savoir : humain, cheval, ours, sanglier, capybara, pécari, girafe et éléphant.
Résultats de l'étude
Image n°1 : morphologie des cheveux humains (Un — cuticule; Dans — rupture du cortex; montrant les extrémités des fibres, Avec — surface de la rupture, où l'on voit trois couches; D — surface latérale du cortex, montrant l'étirement de la fibre).
Le diamètre des cheveux d'un adulte humain est d'environ 80-100 μm. Avec des soins normaux, leur apparence reste généralement intacte (1A). Le composant interne des cheveux humains est le cortex fibreux. Après un test de traction, il a été constaté que la cuticule et le cortex des cheveux humains se casseront différemment : la cuticule se cassait généralement de manière abrasive (s'effritant), tandis que les fibres de kératine dans le cortex étaient détachées et étirées de la structure globale (1B).
Sur la photo, 1C on peut clairement voir la surface fragile de la cuticule, avec une visualisation des couches, qui sont des plaques superposées de la cuticule et ont une épaisseur de 350 à 400 nm. Le délaminage observé à la surface de la rupture, ainsi que la nature fragile de cette surface, montrent un faible lien interfacial entre la cuticule et le cortex, ainsi qu'entre les fibres à l'intérieur du cortex.
Les fibres de kératine dans le cortex ont été délaminées (1D). Cela indique que le cortex fibreux est principalement responsable de la solidité mécanique des cheveux.
Image n°2 : morphologie des cheveux de cheval (Un — cuticule, dont certaines plaques sont légèrement inclinées en raison d'un manque de soins; Dans — apparence de la rupture; Avec — détails de la rupture du cortex, où la cuticule déchirée est visible; D — détails de la cuticule).
La structure des cheveux de cheval ressemble à celle des cheveux humains, à l'exception du diamètre, qui est 50 % plus large (150 μm). Sur la photo, 2A On peut voir des dommages évidents de la cuticule, où de nombreuses écailles ne sont pas aussi étroitement liées à la tige qu'elles ne l'étaient chez les cheveux humains. L'endroit de rupture des poils de cheval montre à la fois une fracture normale et une rupture du cheveu (délamination des écailles de la cuticule). À 2B on voit les deux types de dommages. Dans les zones où les écailles se sont complètement détachées, l'interface entre la cuticule et le cortex est visible (2C). Plusieurs fibres ont été arrachées et se sont délitées au niveau de l'interface. En comparant ces observations avec les précédentes (cheveux humains), de telles destructions indiquent que les cheveux des chevaux n'ont pas subi la même tension intense que les cheveux humains, lorsque les fibres du cortex ont été étirées et complètement détachées de la cuticule. Il est également visible que certaines écailles se sont détachées de la tige, ce qui peut être lié à une tension de traction (2D).
Image n°3 : morphologie des cheveux d'ours (Un — cuticule; Dans — dommages à deux points liés à la zone de rupture ; Avec — fissuration de la cuticule avec délitage des fibres dans le cortex ; D — détails de la structure des fibres, plusieurs fibres allongées visibles à partir de la structure générale).
L'épaisseur des cheveux d'ours est de 80 μm. Les écailles de la cuticule sont extrêmement bien attachées les unes aux autres (3A), et dans certaines zones, il est même difficile de distinguer les écailles individuelles. Cela peut être dû au frottement des cheveux avec les voisins. Sous une tension de traction, ces cheveux se fracturent littéralement, apparaissant avec de longues fissures (insertion à 3B), ce qui indique qu'avec un faible effet de liaison de la cuticule endommagée, les fibres de kératine dans le cortex se sont facilement séparées. La délamination du cortex provoque une rupture de la cuticule, ce qui est confirmé par le motif en zigzag de la fracture (3C). Cette tension conduit à l'étirement de certaines fibres du cortex (3D).
Image n°4 : morphologie des cheveux de sanglier (Un — fracture plate habituelle du cheveu ; Dans — la structure de la cuticule montre un mauvais état d'intégrité (de regroupement) des écailles ; Avec — détails de la rupture à l'interface entre la cuticule et le cortex ; D — fibres allongées et fibrilles émergentes à partir de la masse générale).
Les cheveux de sanglier sont assez épais (230 mm), surtout en comparaison avec ceux d'ours. La rupture des cheveux de sanglier en cas de dommage apparaît assez nettement (4A) perpendiculairement à la direction de la tension lors de l'étirement.
Des plaques de cuticules relativement petites ont été arrachées du corps principal du cheveu en raison de l'étirement de leurs bords (4B).
À la surface de la zone de rupture, le décollage des fibres est clairement visible, il est également évident qu'elles étaient très étroitement liées au sein du cortex (4C). Seules les fibres à l'interface entre le cortex et la cuticule ont été exposées en raison de la séparation (4D), ce qui a révélé la présence de fibrilles épaisses du cortex (250 nm de diamètre). Certaines fibrilles ont légèrement émergé en raison de la déformation. On suppose qu'elles servent d'appui aux cheveux du sanglier.
Image n°5 : morphologie des cheveux d'éléphant (Un — Avec) et de girafe (D — F). Un — cuticule; Dans — rupture en escalier des cheveux ; Avec — des vides à l'intérieur des cheveux indiquent où les fibres ont été arrachées. D — plaques cuticulaires ; E — rupture nette des cheveux ; F — fibres arrachées de la surface au niveau de la rupture.
Les cheveux du petit éléphant peuvent atteindre environ 330 µm de diamètre, tandis que ceux de l'adulte peuvent atteindre 1,5 mm. Les plaques à la surface sont difficiles à distinguer (5A). Les cheveux d'éléphant tendent également à se rompre de manière normale, c'est-à-dire à se rompre proprement sous tension. De plus, la morphologie de la surface de rupture présente un aspect en escaliers (5B), peut-être du fait de la présence de défauts mineurs dans le cortex des cheveux. À la surface de la rupture, on peut également observer de petits trous, où, avant d'être endommagées, se trouvaient probablement des fibrilles renforçantes (5C).
Les cheveux de girafe sont également assez épais (370 µm), bien que l'arrangement des plaques cuticulaires soit moins net (5D). On pense que cela est dû à leur endommagement par divers facteurs environnementaux (par exemple, le frottement contre les arbres pendant l'alimentation). Malgré les différences, la rupture des cheveux chez la girafe était similaire à celle de l'éléphant (5F).
Image n°6 : morphologie des cheveux de capybara (Un — structure cuticulaire double des plaques ; Dans — rupture de la structure double ; Avec — les fibres près de la limite de rupture semblent fragiles et rigides ; D — fibres allongées de la zone de rupture de la structure double).
Les cheveux de capybara et de pécari se distinguent de tous les autres cheveux étudiés. Chez le capybara, la principale caractéristique est la présence d'une configuration cuticulaire double et d'une forme de cheveux ovale (6A). La fente entre les deux parties miroir des cheveux est nécessaire pour éliminer plus rapidement l'eau de la fourrure de l'animal, ainsi que pour une meilleure ventilation, ce qui permet un séchage plus rapide. Sous l'effet de la traction, le cheveu se divise en deux le long de la fente, chaque partie se détruisant (6B). De nombreuses fibres du cortex se dédoublent et s'étirent (6C et 6D).
Image n°7 : morphologie du poil du pecari (Un — structure de la cuticule et lieu de rupture ; Dans — morphologie de la destruction du cortex et détails de sa structure ; Avec — cellules fermées (20 μm de diamètre), dont les parois sont constituées de fibres ; D — parois des cellules).
Chez le pecari (famille Tayassuidae, c'est-à-dire les pecariens), les poils ont un cortex poreux, et la couche de cuticule ne présente pas de plaques distinctes (7A). Le cortex du poil contient des cellules fermées mesurant 10-30 μm (7B), dont les murs sont constitués de fibres de kératine (7C). Ces parois sont suffisamment poreuses, et la taille d'un pore est d'environ 0,5-3 μm (7D).
Comme le montre la photo 7A, sans le soutien du cortex fibreux, la cuticule se fissure le long de la ligne de rupture, et les fibres s'étirent par endroits. Une telle structure du poil est nécessaire pour que les poils soient plus verticaux, augmentant visuellement la taille de l'animal, ce qui peut être un mécanisme de protection pour le pecari. Les poils de pecari sont assez résistants à la compression, mais échouent sous la traction.
Après avoir examiné les caractéristiques structurelles des poils de différents animaux, ainsi que leurs types de dommages causés par la traction, les scientifiques ont commencé à décrire les propriétés mécaniques.
Image n°8 : diagramme de déformation pour chaque type de poil et schéma de l'installation expérimentale pour obtenir des données (vitesse de déformation 10-2 s-1).
Comme le montre le graphique ci-dessus, la réaction à la traction des poils de différentes espèces animales variait considérablement. Ainsi, les poils de l'homme, du cheval, du sanglier et de l'ours ont montré une réaction semblable à celle de la laine (non celle de quelqu'un, mais celle d'un matériau textile).
Avec un module d'élasticité relativement élevé, égal à 3,5–5 GPa, les courbes se composent d'une zone linéaire (élastique), suivie d'un plateau avec une tension croissante lente jusqu'à une déformation de 0,20–0,25, après quoi la vitesse de renforcement augmente considérablement jusqu'à la déformation de rupture à 0,40. La zone de plateau concerne le déroulement plus-la structure en spirale des filaments intermédiaires de kératine, qui peuvent dans certains cas se transformer (partiellement) en b-feuilles (structures planes). Le déroulement complet entraîne une déformation de 1,31, ce qui est considérablement plus élevé qu'à la fin de cette étape (0,20–0,25).
La partie cristalline et filamentaire de la structure est entourée d'une matrice amorphe, qui ne se transforme pas. La partie amorphe représente environ 55 % du volume total, mais seulement si le diamètre des filaments intermédiaires est de 7 nm et qu'ils sont séparés par un matériau amorphe de 2 nm. Ces valeurs précises ont été dérivées d'études antérieures.
Au stade de déformation, caractérisé par un durcissement, un glissement se produit entre les fibres corticales, ainsi que entre des éléments structurels plus petits tels que les microfibrilles, les filaments intermédiaires et la matrice amorphe.
Les cheveux de girafe, d'éléphant et de pécari montrent une réponse de durcissement relativement linéaire sans distinction claire entre les plateaux et les zones de durcissement rapide (pics). Le module d'élasticité est relativement faible et s'élève à environ 2 GPa.
Contrairement à d'autres espèces, les cheveux de capybara montrent une réponse caractérisée par un durcissement rapide, soumis à des contraintes successives. Cette observation est liée à la structure inhabituelle des cheveux de capybara, plus précisément à la présence de deux parties symétriques et d'une gouttière longitudinale entre elles.
Auparavant, des recherches avaient déjà montré que le module de Young (module d'élasticité longitudinale) diminue avec l'augmentation du diamètre des cheveux chez différentes espèces animales. Ces travaux ont noté que le module de Young chez le pécari est significativement plus bas que chez d'autres animaux, ce qui pourrait être lié à la porosité de la structure de ses cheveux.
Il est également intéressant de noter que le pécari présente des zones noires et blanches sur ses cheveux (bicolorisée). Les ruptures lors de l'étirement se produisent le plus souvent précisément dans la zone blanche des cheveux. La résistance accrue de la zone noire s'explique par la présence de mélanosomes, qui se rencontrent exclusivement dans les cheveux noirs.
Toutes ces observations sont vraiment uniques, mais la question principale reste : les dimensions des cheveux jouent-elles un rôle dans leur résistance ?
Si l'on décrit les poils chez les mammifères, on peut mettre en évidence des faits principaux connus des chercheurs :
- la plupart des espèces ont des poils plus épais au centre et qui s'affinent vers l'extrémité ; le pelage des animaux sauvages est plus épais en raison de leur habitat ;
- la variation du diamètre des poils d'une même espèce montre que l'épaisseur de la plupart des poils varie dans une plage générale d'épaisseur pour cette espèce animale. L'épaisseur des poils peut différer entre différents représentants d'une même espèce, mais il n'est pas encore clair ce qui influence cette différence ;
- les différentes espèces de mammifères ont une épaisseur de poils différente (aussi banal que cela puisse sembler).
En résumant ces faits accessibles au public et les données obtenues lors des expériences, les scientifiques ont pu mettre en relation tous les résultats pour établir des dépendances entre l'épaisseur du poil et sa résistance.
Image n°9 : relation entre l'épaisseur du poil et sa résistance chez différentes espèces animales.
En raison des différences dans le diamètre et l'élasticité des poils, les scientifiques ont cherché à déterminer s'il était possible de prédire leur tension à la rupture basée sur la statistique de Weibull, qui peut précisément prendre en compte les variations dans la taille de l'échantillon et la taille résultante du défaut.
Il est supposé que le segment du poil ayant un volume V est constitué de n éléments de volume, chaque volume unitaire V0 ayant une distribution de défauts similaire. En utilisant l'hypothèse du maillon le plus faible, à un certain niveau de tension σ la probabilité redicted Frame) de maintien de l'intégrité de ce segment de poil ayant un volume V peut être exprimée comme le produit des probabilités supplémentaires de maintien de l'intégrité de chacun des éléments de volume, à savoir :
redicted Frame)(V) = redicted Frame)(V0) · redicted Frame)(V0)… · redicted Frame)(V0) = · redicted Frame)(V0)n
où le volume V contient n éléments de volume. V0Avec une augmentation de la tension redicted Frame)(V) diminue naturellement.
En utilisant une distribution de Weibull à deux paramètres, la probabilité de rupture de l'ensemble du volume peut être exprimée comme :
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
où σ — la tension appliquée, σ0 — la résistance caractéristique (de référence), et m — le module de Weibull, qui est une mesure de la variabilité des propriétés. Il convient de noter que la probabilité de rupture augmente avec l'augmentation du volume de l'échantillon V à tension constante. σ.
Sur le graphique 9A La distribution de Weibull des contraintes de rupture expérimentales pour les cheveux humains et ceux du capybara a été montrée. Les courbes pour d'autres espèces ont été prédites en utilisant la formule n°2 avec la même valeur de m que pour les cheveux humains (m = 0.11).
Les diamètres moyens utilisés étaient : cochon sauvage — 235 µm, cheval — 200 µm, pécari — 300 µm, ours — 70 µm, poil d'éléphant — 345 µm et girafe — 370 µm.
En considérant que la contrainte de rupture peut être déterminée à redicted Frame)(V) = 0.5, ces résultats montrent que la contrainte de rupture diminue avec l'augmentation du diamètre des cheveux chez différentes espèces.
Sur le graphique 9V sont affichées les contraintes de rupture prédites avec une probabilité de rupture de 50% (redicted Frame)(V) = 0.5) et la contrainte de rupture expérimentale moyenne pour différentes espèces.
Il devient clair qu'avec l'augmentation du diamètre des cheveux de 100 à 350 mm, sa contrainte de rupture diminue de 200–250 MPa à 125–150 MPa. Les résultats de la modélisation selon la distribution de Weibull s'accordent parfaitement avec les résultats des observations réelles. La seule exception concerne les cheveux de pécari, qui sont extrêmement poreux. La résistance réelle des cheveux de pécari est inférieure à celle prévue par la modélisation selon la distribution de Weibull.
Pour une compréhension plus approfondie des nuances de l'étude, je recommande de consulter le et à ce sujet.
Épilogue
La principale conclusion des observations décrites ci-dessus est que des cheveux épais ne sont pas équivalents à des cheveux solides. En vérité, comme le disent eux-mêmes les scientifiques, cette affirmation n'est pas la découverte du millénaire, car des observations similaires ont été faites lors de l'étude des fils métalliques. Ce n'est même pas une question de physique, de mécanique ou de biologie, mais de statistiques : plus l'objet est grand, plus il y a de place pour les défauts.
Les scientifiques croient que le travail que nous avons examiné aujourd'hui aidera leurs collègues à créer de nouveaux matériaux synthétiques. Le principal problème est que, malgré le développement des technologies modernes, elles ne parviennent pas encore à créer quelque chose de semblable aux cheveux humains ou d'éléphant. Après tout, créer quelque chose d'aussi petit constitue déjà un défi, sans parler de sa complexe structure.
Comme nous le voyons, cette recherche a montré que loin d'être le seul, la soie d'araignée mérite l'attention des scientifiques comme source d'inspiration pour des matériaux ultra-résistants et ultralégers, mais que les cheveux humains peuvent également surprendre par leurs propriétés mécaniques et leur étonnante résistance.
Merci de votre attention, restez curieux et passez une excellente semaine de travail à tous. 🙂
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Source : habr.com
