Kosa za modernu osobu nije ništa drugo nego element vizualne samoidentifikacije, dio slike i slike. Unatoč tome, ove rožnate tvorevine kože imaju nekoliko važnih bioloških funkcija: zaštitu, termoregulaciju, dodir itd. Koliko je jaka naša kosa? Kako se pokazalo, oni su mnogo puta jači od dlake slona ili žirafe.
Danas ćemo se upoznati sa istraživanjem u kojem su znanstvenici sa Sveučilišta u Kaliforniji (SAD) odlučili ispitati u kakvoj su korelaciji debljina dlake i njezina čvrstoća kod različitih životinjskih vrsta, uključujući i ljude. Čija je kosa najjača, kakva mehanička svojstva imaju različite vrste kose i kako ovo istraživanje može pomoći u razvoju novih vrsta materijala? O tome saznajemo iz izvješća znanstvenika. Ići.
Osnova istraživanja
Kosa, koja se uglavnom sastoji od proteina keratina, rožnata je tvorevina kože sisavaca. Zapravo, dlaka, vuna i krzno su sinonimi. Struktura kose sastoji se od keratinskih ploča koje se međusobno preklapaju, poput domina koje padaju jedna na drugu. Svaka vlas ima tri sloja: kutikula je vanjski i zaštitni sloj; cortex - korteks, koji se sastoji od izduženih mrtvih stanica (važan za snagu i elastičnost vlasi, određuje njezinu boju zbog melanina) i medule - središnjeg sloja vlasi, koji se sastoji od mekih keratinskih stanica i zračnih šupljina, koji je uključeni u prijenos hranjivih tvari u druge slojeve.
Ako se dlaka podijeli okomito, dobivamo potkožni dio (osovina) i potkožni dio (lukovica ili korijen). Lukovica je okružena folikulom, čiji oblik određuje oblik same dlake: okrugla folikul je ravna, ovalna je malo kovrčava, bubrežasta je kovrčava.
Mnogi znanstvenici sugeriraju da se ljudska evolucija mijenja zbog tehnološkog napretka. Odnosno, neki organi i strukture u našem tijelu postupno postaju rudimentarni - oni koji su izgubili svoju namjenu. Ti dijelovi tijela uključuju umnjake, slijepo crijevo i dlake. Drugim riječima, znanstvenici vjeruju da će s vremenom ove strukture jednostavno nestati iz naše anatomije. Je li to istina ili ne, teško je reći, ali za mnoge obične ljude umnjaci su, na primjer, povezani s posjetom stomatologu radi neizbježnog uklanjanja.
Bilo kako bilo, kosa čovjeku treba, ona možda više nema bitnu ulogu u termoregulaciji, ali je još uvijek sastavni dio estetike. Isto se može reći i za svjetsku kulturu. U mnogim zemljama kosa se od pamtivijeka smatrala izvorom sve snage, a njeno šišanje povezivalo se s mogućim zdravstvenim problemima, pa čak i neuspjehima u životu. Sveto značenje kose migriralo je iz šamanskih rituala drevnih plemena u modernije religije, djela pisaca, umjetnika i kipara. Konkretno, ženska ljepota često je bila usko povezana s načinom na koji je izgledala ili bila prikazana kosa ljupkih dama (na primjer, na slikama).
Primijetite kako je detaljno prikazana Venerina kosa (Sandro Botticelli, “Rođenje Venere”, 1485.).
Ostavimo po strani kulturni i estetski aspekt kose i počnimo razmatrati istraživanja znanstvenika.
Dlaka, u ovom ili onom obliku, prisutna je kod mnogih vrsta sisavaca. Ako za ljude više nisu toliko važni s biološke točke gledišta, onda su za druge predstavnike životinjskog svijeta vuna i krzno vitalni atributi. Pritom su po svojoj osnovnoj strukturi ljudska kosa i npr. slonova vrlo slične, iako postoje razlike. Najočitiji od njih su dimenzije, jer je slonova dlaka puno deblja od naše, ali, kako se pokazalo, nije jača.
Znanstvenici već duže vrijeme proučavaju kosu i vunu. Rezultati ovih radova implementirani su kako u kozmetologiju i medicinu, tako iu laku industriju (ili, kako bi rekla poznata Kalugina L.P.: „laka industrija“), točnije u tekstilu. Osim toga, proučavanje kose uvelike je pomoglo u razvoju biomaterijala na bazi keratina, koji su početkom prošlog stoljeća naučili izolirati iz životinjskih rogova pomoću vapna.
Tako dobiven keratin koristio se za stvaranje gelova koji su se mogli učvrstiti dodatkom formaldehida. Kasnije su naučili izolirati keratin ne samo iz životinjskih rogova, već i iz njihovog krzna, kao i iz ljudske kose. Tvari na bazi keratina našle su svoju primjenu u kozmetici, kompozitima, pa čak i u premazima za tablete.
Danas se industrija proučavanja i proizvodnje izdržljivih i laganih materijala ubrzano razvija. Kosa je, budući da je prirodno takva, jedan od prirodnih materijala koji inspirira ovakva istraživanja. Uzmite u obzir vlačnu čvrstoću vune i ljudske kose, koja se kreće od 200 do 260 MPa, što je ekvivalentno specifičnoj čvrstoći od 150-200 MPa/mg m-3. A to je gotovo usporedivo s čelikom (250 MPa / mg m-3).
Glavnu ulogu u formiranju mehaničkih svojstava kose ima njezina hijerarhijska struktura, koja podsjeća na matrjošku. Najvažniji element ove strukture je unutarnji korteks kortikalnih stanica (promjer oko 5 μm i duljina 100 μm), koji se sastoji od grupiranih makrofibrila (promjera oko 0.2-0.4 μm), koji se pak sastoje od intermedijarnih filamenata (7.5 nm u promjeru ), ugrađen u amorfnu matricu.
Mehanička svojstva kose, njezina osjetljivost na temperaturu, vlagu i deformacije izravan su rezultat međudjelovanja amorfne i kristalne komponente korteksa. Keratinska vlakna korteksa ljudske kose obično imaju veliku rastezljivost, s rastezljivošću većom od 40%.
Takva visoka vrijednost posljedica je odmotavanja strukture а-keratin i, u nekim slučajevima, njegova transformacija u b-keratin, što dovodi do povećanja duljine (puni zavoj spirale od 0.52 nm rastegnut je na 1.2 nm u konfiguraciji b). Ovo je jedan od glavnih razloga zašto su se mnoga istraživanja usredotočila upravo na keratin kako bi ga ponovno stvorili u sintetskom obliku. Ali vanjski sloj kose (kutikula), kao što već znamo, sastoji se od ploča (debljine 0.3–0.5 mikrona i duljine 40–60 mikrona).
Prethodno su znanstvenici već proveli istraživanje mehaničkih svojstava kose ljudi različitih dobnih i etničkih skupina. U ovom radu naglasak je stavljen na proučavanje razlika u mehaničkim svojstvima dlake različitih životinjskih vrsta, i to: ljudi, konja, medvjeda, divljih svinja, kapibara, pekarija, žirafa i slonova.
Rezultati istraživanja
Slika #1: Morfologija ljudske kose (А - kutikula; В - prijelom korteksa; pokazujući krajeve vlakana, С — površina rasjeda, gdje su vidljiva tri sloja; D - bočna površina korteksa, pokazuje produljenje vlakana).
Kosa odrasle osobe ima promjer od 80-100 mikrona. Uz normalnu njegu kose, njihov izgled je prilično holistički (1А). Unutarnja komponenta ljudske kose je fibrozni korteks. Nakon ispitivanja zateznosti, otkriveno je da se kutikula i korteks ljudske kose različito lome: kutikula se obično lomi abrazivno (zgužva se), a keratinska vlakna u korteksu su oguljena i izvučena iz ukupne strukture (1V).
Na slici 1S krhka površina kutikule jasno je vidljiva uz vizualizaciju slojeva, koji su preklapajuće ploče kutikule i imaju debljinu od 350-400 nm. Uočena delaminacija na površini prijeloma, kao i krta priroda ove površine, ukazuje na slabu međufaznu komunikaciju između kutikule i korteksa, te između vlakana unutar korteksa.
Keratinska vlakna u korteksu su oljuštena (1D). To sugerira da je fibrozni korteks prvenstveno odgovoran za mehaničku čvrstoću kose.
Slika br. 2: Morfologija konjske dlake (А - kutikula, čije su pojedine pločice malo zakrivljene zbog nedovoljne njege; В - izgled rupture; С — detalji puknuća korteksa, gdje se vidi otrgnuta kožica; D - detalji zanoktice).
Struktura konjske dlake slična je ljudskoj kosi, osim promjera koji je 50% veći (150 mikrona). Na slici 2А Možete vidjeti očito oštećenje kutikule, gdje mnoge ploče nisu tako blisko povezane sa stablom kao što su bile u ljudskoj kosi. Mjesto loma konjske dlake sadrži i normalan lom i lom dlake (odstranjivanje kutikule). Na 2V Vidljive su obje vrste oštećenja. Na mjestima gdje su lamele potpuno otkinute, vidljiva je granica između kutikule i korteksa (2S). Nekoliko je vlakana pokidano i raslojeno na sučelju. Uspoređujući ova opažanja s prethodnim opažanjima (ljudska kosa), takvi kvarovi pokazuju da konjska dlaka nije doživjela toliki stres kao ljudska kosa kada su vlakna u korteksu izvučena i potpuno odvojena od kutikule. Također se može vidjeti da su se neke ploče odvojile od šipke, što može biti posljedica vlačnog naprezanja (2D).
Slika #3: Morfologija medvjeđe dlake (А - kutikula; В — oštećenje na dvije točke povezane s područjem puknuća; С — pucanje kutikule s raslojavanjem vlakana u korteksu; D - detalji strukture vlakana, vidljivo je nekoliko izduženih vlakana iz opće strukture).
Debljina medvjeđe dlake je 80 mikrona. Ploče kutikule su izuzetno čvrsto pričvršćene jedna za drugu (3А), au nekim je područjima čak i teško razlikovati pojedinačne ploče. To može biti zbog trenja kose o susjedne. Pod vlačnim naprezanjem, te se dlake doslovno cijepaju uz pojavu dugih pukotina (umetnuti na 3B), što ukazuje da su se uz slab učinak vezivanja oštećene kutikule keratinska vlakna u korteksu lako raslojila. Raslojavanje korteksa uzrokuje lomljenje kutikule, što dokazuje cik-cak uzorak loma (3S). Ova napetost uzrokuje izvlačenje nekih vlakana iz korteksa (3D).
Slika br. 4: Morfologija dlake vepra (А - obični ravni prijelom kose; В — struktura kutikule pokazuje loše stanje cjelovitosti (grupiranja) ploča; С — pojedinosti o razmaku na sučelju između kutikule i korteksa; D - vlakna izdužena od ukupne mase i stršeće fibrile).
Dlaka vepra je prilično gusta (230 mm), posebno u usporedbi s dlakom medvjeda. Čupanje dlake vepra kada je oštećeno izgleda sasvim jasno (4А) okomito na smjer vlačnog naprezanja.
Relativno male izložene kutikule otrgnute su od glavnog dijela kose zbog rastezanja njihovih rubova (4V).
Na površini zone razaranja jasno je vidljivo raslojavanje vlakana; također je jasno da su unutar korteksa bila vrlo čvrsto povezana jedni s drugima (4S). Samo su vlakna na sučelju između korteksa i kutikule bila izložena zbog odvajanja (4D), koji je otkrio prisutnost debelih kortikalnih fibrila (250 nm u promjeru). Neke su fibrile blago stršile zbog deformacije. Oni bi trebali poslužiti kao sredstvo za učvršćivanje dlake vepra.
Slika #5: Morfologija dlake slona (А - С) i žirafa (D - F). А - kutikula; В - stepenasto lomljenje kose; С - praznine unutar kose pokazuju gdje su vlakna iščupana. D - kutikularne ploče; Е - ravnomjerno lomljenje kose; F - vlakna otkinuta s površine u području prijeloma.
Dlaka bebe slona može biti debela oko 330 mikrona, a kod odrasle osobe može doseći 1.5 mm. Ploče na površini se teško razlikuju (5А).Dlaka slona također je sklona normalnom raspadanju, t.j. do čistog vlačnog loma. Štoviše, morfologija površine prijeloma pokazuje stepenasti izgled (5V), vjerojatno zbog prisutnosti manjih nedostataka u korteksu dlake. Neke male rupe također se mogu vidjeti na površini prijeloma, gdje su fibrile za pojačanje vjerojatno bile smještene prije oštećenja (5S).
Dlaka žirafe također je prilično gusta (370 mikrona), iako raspored kutikula nije tako jasan (5D). Vjeruje se da je to zbog njihove štete različitim čimbenicima okoliša (na primjer, trenje o drveće tijekom hranjenja). Unatoč razlikama, kosa žirafe bila je slična onoj kod slona (5F).
Slika br. 6: morfologija kapibarine dlake (А - dvostruka kutikularna struktura ploča; В — puknuće dvostruke strukture; С — vlakna u blizini granice puknuća izgledaju krhka i kruta; D - produžena vlakna iz zone rupture dvostruke strukture).
Dlaka kapibara i pekarija razlikuje se od svih ostalih proučavanih dlaka. Kod kapibare, glavna razlika je prisutnost dvostruke konfiguracije kutikule i ovalnog oblika dlake (6А). Utor između dva zrcalna dijela dlake neophodan je za brže uklanjanje vode iz krzna životinje, kao i za bolju ventilaciju, što omogućuje brže sušenje. Kada je izložena rastezanju, kosa se dijeli na dva dijela duž utora, a svaki dio se uništava (6V). Mnoga vlakna korteksa su odvojena i rastegnuta (6S и 6D).
Slika #7: Morfologija Peccary dlake (А - građa kutikule i mjesto rupture; В — morfologija destrukcije korteksa i detalji njegove strukture; С — zatvorene stanice (promjera 20 mikrona), čije se stijenke sastoje od vlakana; D - stanične stijenke).
Pekarije (obitelj Tayassuidae, tj. pekarija) kosa ima porozni korteks, a sloj kutikule nema jasne ploče (7А). Korteks dlake sadrži zatvorene stanice veličine 10-30 mikrona (7V), čiji se zidovi sastoje od keratinskih vlakana (7S). Ovi zidovi su prilično porozni, a veličina jedne pore je oko 0.5-3 mikrona (7D).
Kao što vidite na slici 7А, bez potpore fibroznog korteksa, kutikula puca duž linije prijeloma, a vlakna se na nekim mjestima izvlače. Ova struktura dlake je neophodna kako bi dlaka bila okomitija, vizualno povećavajući veličinu životinje, što može biti obrambeni mehanizam za pekarije. Peccary dlaka prilično dobro podnosi kompresiju, ali se ne nosi s istezanjem.
Nakon što su razumjeli strukturne značajke dlake različitih životinja, kao i njihove vrste oštećenja zbog napetosti, znanstvenici su počeli opisivati mehanička svojstva.
Slika br. 8: dijagram deformacije za svaki tip kose i dijagram eksperimentalne postavke za dobivanje podataka (brzina deformacije 10-2 s-1).
Kao što se može vidjeti iz gornjeg grafikona, odgovor na rastezanje dlake različitih životinjskih vrsta bio je prilično različit. Tako je dlaka čovjeka, konja, vepra i medvjeda pokazala reakciju sličnu reakciji vune (ne tuđe, već tekstilnog materijala).
Pri relativno visokom modulu elastičnosti od 3.5–5 GPa, krivulje se sastoje od linearnog (elastičnog) područja, nakon čega slijedi plato s polaganim povećanjem naprezanja do deformacije od 0.20–0.25, nakon čega se brzina otvrdnjavanja značajno povećava sve dok deformacija loma od 0.40. Područje platoa odnosi se na opuštanje а-spiralna struktura keratinskih intermedijarnih filamenata, koji se u nekim slučajevima mogu (djelomično) transformirati u b-listovi (ravne konstrukcije). Potpuno odmotavanje dovodi do deformacije od 1.31, što je znatno više nego na kraju ove faze (0.20–0.25).
Kristalni nitasti dio strukture okružen je amorfnom matricom koja se ne transformira. Amorfni dio čini oko 55% ukupnog volumena, ali samo ako je promjer intermedijarnih filamenata 7 nm i da su odvojeni s 2 nm amorfnog materijala. Ovakvi precizni pokazatelji izvedeni su u prethodnim studijama.
Tijekom faze stvrdnjavanja deformacije dolazi do klizanja između kortikalnih vlakana kao i između manjih strukturnih elemenata kao što su mikrofibrili, intermedijarni filamenti i amorfni matriks.
Dlake žirafe, slona i pecara pokazuju relativno linearan odgovor na stvrdnjavanje bez jasne razlike između platoa i područja brzog stvrdnjavanja (vrhovi). Modul elastičnosti je relativno nizak i iznosi oko 2 GPa.
Za razliku od drugih vrsta, kapibarina dlaka pokazuje reakciju karakteriziranu brzim stvrdnjavanjem kada se primijene uzastopna opterećenja. Ovo zapažanje povezano je s neobičnom strukturom kapibarine dlake, točnije s prisutnošću dvaju simetričnih dijelova i uzdužnog utora između njih.
Već su provedena prijašnja istraživanja koja pokazuju da se Youngov modul (modul uzdužne elastičnosti) smanjuje s povećanjem promjera dlake kod različitih životinjskih vrsta. Ovi su radovi primijetili da je Youngov modul pekarija znatno niži nego kod drugih životinja, što može biti posljedica poroznosti njegove strukture dlake.
Također je zanimljivo da pekarije imaju i crne i bijele površine na dlaci (dvobojne). Vlačni lomovi najčešće se javljaju u bijelom području vlasi. Povećana otpornost crnog područja posljedica je prisutnosti melanosoma koji se nalaze isključivo u crnoj kosi.
Sva ova zapažanja doista su jedinstvena, no glavno pitanje ostaje: igraju li dimenzije kose ulogu u njezinoj snazi?
Ako opisujemo kosu kod sisavaca, možemo istaknuti glavne činjenice koje su poznate istraživačima:
- kod većine tipova kose deblja je u središnjem dijelu i sužava se prema kraju; Krzno divljih životinja je gušće zbog njihovog staništa;
- Varijacije u promjeru dlaka jedne vrste pokazuju da debljina većine dlaka varira unutar općeg raspona debljine za određenu životinjsku vrstu. Debljina dlaka može se razlikovati među različitim predstavnicima iste vrste, ali još uvijek nije poznato što utječe na tu razliku;
- Različite vrste sisavaca imaju različitu debljinu dlake (ma koliko to klišejski zvučalo).
Zbrajanjem ovih javno dostupnih činjenica i podataka dobivenih tijekom pokusa, znanstvenici su uspjeli usporediti sve rezultate kako bi stvorili odnos između debljine kose i njene čvrstoće.
Slika br. 9: Odnos debljine dlake i njezine jačine kod različitih životinjskih vrsta.
Zbog razlika u promjeru i rastezljivosti kose, znanstvenici su odlučili vidjeti mogu li se njihova vlačna naprezanja predvidjeti na temelju Weibullove statistike, koja može konkretno objasniti razlike u veličini uzorka i rezultirajućoj veličini oštećenja.
Pretpostavlja se da je segment kose s volumenom V состоит из n elementi volumena i svaka jedinica volumena V0 ima sličnu raspodjelu nedostataka. Korištenje pretpostavke o najslabijoj karici, na danoj razini napona σ vjerojatnost P održavanje cjelovitosti danog segmenta kose s volumenom V može se izraziti kao umnožak dodatnih vjerojatnosti održavanja cjelovitosti svakog od elemenata volumena, naime:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
gdje je volumen V sadrži n volumenskih elemenata V0. Kako napon raste P(V) prirodno se smanjuje.
Korištenjem Weibullove distribucije s dva parametra, vjerojatnost kvara cijelog volumena može se izraziti kao:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · ((σ/σ0)m]
gdje σ — primijenjeni napon, σ0 je karakteristična (referentna) čvrstoća, i m — Weibullov modul, koji je mjera varijabilnosti svojstva. Vrijedno je napomenuti da se vjerojatnost uništenja povećava s povećanjem veličine uzorka V pri konstantnom naponu σ.
Na grafikonu 9А Prikazana je Weibullova distribucija eksperimentalnih naprezanja sloma za ljudsku i kapibarinu dlaku. Krivulje za druge vrste su predviđene pomoću formule #2 s istom vrijednošću m kao za ljudsku kosu (m = 0.11).
Korišteni prosječni promjeri bili su: vepar - 235 µm, konj - 200 µm, pekar - 300 µm, medvjed - 70 µm, dlaka slona - 345 µm i žirafa - 370 µm.
Na temelju činjenice da se prekidno naprezanje može odrediti na P(V) = 0.5, ovi rezultati pokazuju da se stres kod kvara smanjuje s povećanjem promjera dlake među vrstama.
Na grafikonu 9V pokazuje predviđena naprezanja kidanja pri 50% vjerojatnosti kvara (P(V) = 0.5) i prosječno eksperimentalno prekidno naprezanje za različite vrste.
Postaje jasno da se s povećanjem promjera vlasi sa 100 na 350 mm njezino naprezanje na lomljenje smanjuje s 200–250 MPa na 125–150 MPa. Rezultati simulacije Weibullove distribucije izvrsno se slažu sa stvarnim rezultatima promatranja. Jedina iznimka je pekarska dlaka jer je izrazito porozna. Stvarna čvrstoća pecari dlake niža je od one prikazane modeliranjem Weibullove distribucije.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate и njemu.
Epilog
Glavni zaključak gornjih opažanja je da gusta kosa nije ekvivalent jakoj kosi. Istina, kako sami znanstvenici kažu, ova izjava nije otkriće tisućljeća, budući da su slična opažanja napravljena prilikom proučavanja metalne žice. Ovdje nije stvar ni u fizici, mehanici ili biologiji, već u statistici - što je veći objekt, to je veći prostor za nedostatke.
Znanstvenici vjeruju da će rad koji smo danas pregledali pomoći njihovim kolegama u stvaranju novih sintetičkih materijala. Glavni problem je što unatoč razvoju modernih tehnologija još nisu u stanju stvoriti nešto poput ljudske ili slonove dlake. Uostalom, stvoriti nešto tako malo već je izazov, a da ne spominjemo njegovu složenu strukturu.
Kao što vidimo, ova je studija pokazala da nije samo paukova svila vrijedna pažnje znanstvenika kao inspiracija za buduće ultra-čvrste i ultra-lagane materijale, već i ljudska kosa može iznenaditi svojim mehaničkim svojstvima i nevjerojatnom čvrstoćom.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan. 🙂
Neki oglasi 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, , jedinstveni analog poslužitelja početne razine, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji u Equinix Tier IV podatkovnom centru u Amsterdamu? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com