A haj egy modern ember számára nem más, mint a vizuális önazonosítás eleme, a kép és a kép része. Ennek ellenére ezek a kérges bőrképződmények számos fontos biológiai funkciót töltenek be: védelem, hőszabályozás, érintés stb. Milyen erős a hajunk? Mint kiderült, sokszor erősebbek, mint az elefánt- vagy zsiráfszőr.
Ma egy tanulmánysal ismerkedünk meg, amelyben a Kaliforniai Egyetem (USA) tudósai úgy döntöttek, hogy megvizsgálják, hogyan függ össze a szőr vastagsága és erőssége különböző állatfajokon, köztük emberen is. Kinek a haja a legerősebb, milyen mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek a különböző hajtípusok, és hogyan segíthet ez a kutatás új típusú anyagok kifejlesztésében? Erről a tudósok jelentéséből értesülünk. Megy.
Kutatási alap
A nagyrészt keratin fehérjéből álló szőr az emlősök bőrének kanos képződménye. Valójában a haj, a gyapjú és a szőrme szinonimák. A haj szerkezete keratin lemezekből áll, amelyek átfedik egymást, mint a dominók, amelyek egymásra esnek. Minden hajnak három rétege van: a kutikula a külső és védőréteg; cortex - a kéreg, amely megnyúlt elhalt sejtekből áll (fontos a haj erőssége és rugalmassága szempontjából, meghatározza a színét a melanin miatt) és a velő - a haj központi rétege, amely lágy keratin sejtekből és légüregekből áll. részt vesz a tápanyagok más rétegekbe való átvitelében.
Ha a hajat függőlegesen osztjuk fel, akkor egy szubkután szakaszt (szár) és egy szubkután szakaszt (hagymát vagy gyökeret) kapunk. A hagymát tüsző veszi körül, amelynek alakja határozza meg magának a szőrnek az alakját: egy kerek tüsző egyenes, egy ovális tüsző enyhén göndör, egy vese alakú tüsző göndör.
Sok tudós azt állítja, hogy az emberi evolúció a technológiai fejlődés miatt változik. Vagyis testünk egyes szervei és struktúrái fokozatosan kezdetlegesekké válnak – azok, amelyek elvesztették rendeltetésüket. Ezek a testrészek közé tartoznak a bölcsességfogak, a vakbél és a testszőrzet. Más szóval, a tudósok úgy vélik, hogy idővel ezek a struktúrák egyszerűen eltűnnek anatómiánkból. Hogy ez igaz-e vagy sem, azt nehéz megmondani, de sok hétköznapi ember számára a bölcsességfogak például azzal járnak, hogy felkeresik a fogorvost az elkerülhetetlen eltávolításuk miatt.
Bárhogy is legyen, az embernek szüksége van hajra, lehet, hogy már nem játszik létfontosságú szerepet a hőszabályozásban, de az esztétikum szerves részét képezi. Ugyanez elmondható a világkultúráról is. Sok országban időtlen idők óta a hajat minden erő forrásának tekintették, és a vágást esetleges egészségügyi problémákkal, sőt az élet kudarcaival is összefüggésbe hozták. A haj szakrális jelentése az ősi törzsek sámánrituáléitól a modernebb vallások felé, írók, művészek és szobrászok munkái felé vándorolt. Különösen a női szépség gyakran szorosan összefüggött a kedves hölgyek hajának megjelenésével vagy ábrázolásával (például festményeken).
Figyeld meg, milyen részletesen ábrázolják a Vénusz haját (Sandro Botticelli, „Vénusz születése”, 1485).
Hagyjuk félre a haj kulturális és esztétikai aspektusát, és kezdjünk el foglalkozni a tudósok kutatásával.
A szőr ilyen vagy olyan formában számos emlősfajban megtalálható. Ha az ember számára biológiai szempontból már nem annyira fontosak, akkor az állatvilág többi képviselője számára a gyapjú és a szőrzet létfontosságú tulajdonság. Ugyanakkor alapvető felépítésüket tekintve az emberi haj és például az elefántszőr nagyon hasonló, bár vannak eltérések. A legszembetűnőbb közülük a méretek, ugyanis az elefántszőr jóval vastagabb, mint a miénk, de mint kiderült, nem erősebb.
A tudósok már jó ideje tanulmányozzák a hajat és a gyapjút. E munkák eredményeit mind a kozmetológiában és az orvostudományban, mind a könnyűiparban (vagy ahogy a jól ismert Kalugina L.P. mondaná: „könnyűiparban”), pontosabban a textiliparban is megvalósították. Emellett a haj tanulmányozása nagyban segítette a keratin alapú bioanyagok kifejlesztését, amelyeket a múlt század elején mész segítségével megtanultak elkülöníteni az állati szarvaktól.
Az így kapott keratint olyan gélek készítésére használták fel, amelyek formaldehid hozzáadásával erősíthetők. Később megtanulták izolálni a keratint nemcsak az állati szarvakból, hanem a szőrükből, valamint az emberi hajból is. A keratin alapú anyagokat kozmetikumokban, kompozitokban és még tablettabevonatokban is használják.
Napjainkban a tartós és könnyű anyagok tanulmányozásával és gyártásával foglalkozó iparág gyorsan fejlődik. A haj természeténél fogva az egyik olyan természetes anyag, amely inspirálja ezt a fajta kutatást. Vegyük figyelembe a gyapjú és az emberi haj szakítószilárdságát, amely 200 és 260 MPa között van, ami 150-200 MPa/mg m-3 fajlagos szilárdságnak felel meg. És ez szinte az acéléhoz hasonlítható (250 MPa / mg m-3).
A haj mechanikai tulajdonságainak kialakításában a fő szerepet annak hierarchikus felépítése játssza, amely egy matryoshka babára emlékeztet. Ennek a szerkezetnek a legfontosabb eleme a kérgi sejtek belső kérge (átmérője kb. 5 μm és hossza 100 μm), amely csoportosított makrofibrillákból áll (átmérője kb. 0.2-0.4 μm), amelyek viszont közbenső filamentumokból (7.5 nm) állnak. átmérőjű ), amorf mátrixba ágyazva.
A haj mechanikai tulajdonságai, hőmérséklet-, nedvesség- és deformációs érzékenysége a kéreg amorf és kristályos komponenseinek kölcsönhatásának közvetlen eredménye. Az emberi hajkéreg keratin rostjai jellemzően nagy megnyúlással rendelkeznek, több mint 40%-os húzófeszültséggel.
Az ilyen magas érték a szerkezet letekercselésének köszönhető а-keratin és bizonyos esetekben annak átalakulása b-keratin, ami a hossz növekedéséhez vezet (a konfigurációban egy 0.52 nm-es hélix teljes fordulata 1.2 nm-re van megfeszítve b). Ez az egyik fő oka annak, hogy sok tanulmány kifejezetten a keratinra összpontosított, hogy azt szintetikus formában újra előállítsák. De a haj külső rétege (kutikula), mint már tudjuk, lemezekből áll (0.3-0.5 mikron vastag és 40-60 mikron hosszú).
Korábban a tudósok már végeztek kutatásokat a különböző korú és etnikai csoportokhoz tartozó emberek hajának mechanikai tulajdonságairól. Ebben a munkában a hangsúly a különböző állatfajok, nevezetesen: ember, ló, medve, vaddisznó, kapibara, peka, zsiráf és elefánt szőrének mechanikai tulajdonságaiban mutatkozó különbségek vizsgálatára helyeződött.
Kutatási eredmények
1. kép: Az emberi haj morfológiája (А - kutikula; В - kéregtörés; a szálak végeit mutatja, С — a hiba felülete, ahol három réteg látható; D - a kéreg laterális felülete, amely rostmegnyúlást mutat).
Egy felnőtt emberi haj körülbelül 80-100 mikron átmérőjű. Normál hajápolás mellett megjelenésük meglehetősen holisztikus (1А). Az emberi haj belső összetevője a rostos kéreg. A szakítóvizsgálatok során kiderült, hogy az emberi haj kutikulája és kéregje eltérően törik: a kutikula jellemzően koptatólag tört (gyűrődött), a kéregben lévő keratinszálak pedig lefejlődnek és kihúzódtak a teljes szerkezetből (1V).
képen 1S a kutikula törékeny felülete jól látható a 350-400 nm vastagságú, egymást átfedő kutikulalemezek rétegeinek megjelenítésével. A törésfelületen megfigyelt delamináció, valamint ennek a felületnek a ridegsége gyenge határfelületi kommunikációt jelez a kutikula és a kéreg, valamint a kéregben lévő rostok között.
A kéregben lévő keratin rostok lehámlanak (1D). Ez arra utal, hogy a rostos kéreg elsősorban a haj mechanikai szilárdságáért felelős.
2. kép: Lószőr morfológia (А - kutikula, melynek egyes lemezei a gondozás hiánya miatt kissé elhajlottak; В - a szakadás megjelenése; С — a kéregszakadás részletei, ahol látható a szakadt kutikula; D - kutikula részletek).
A lószőr szerkezete hasonló az emberi hajhoz, kivéve az átmérőjét, amely 50%-kal nagyobb (150 mikron). A képen 2А Látható a kutikula nyilvánvaló sérülése, ahol sok lemez nem kapcsolódik olyan szorosan a szárhoz, mint az emberi hajban. A lószőrtörés helye normál törést és szőrtörést (a kutikulalemezek leválását) egyaránt tartalmaz. Tovább 2V Mindkét típusú sérülés látható. Azokon a területeken, ahol a lamellák teljesen leszakadtak, a kutikula és a kéreg határfelülete látható (2S). Számos szál elszakadt és szétválódott a határfelületen. Ha összehasonlítjuk ezeket a megfigyeléseket korábbi megfigyelésekkel (emberi szőr), az ilyen kudarcok azt mutatják, hogy a lószőr nem tapasztalt akkora stresszt, mint az emberi haj, amikor a kéregben lévő rostokat kihúzták és teljesen leváltották a kutikuláról. Az is látható, hogy egyes lemezek leváltak a rúdról, ami a húzófeszültség miatt lehet (2D).
3. kép: Medveszőr morfológia (А - kutikula; В — sérülés a szakadási területhez kapcsolódó két ponton; С — a kutikula repedése a kéregben lévő rostok delaminációjával; D - a szálszerkezet részletei, az általános szerkezetből több megnyúlt szál látható).
A medveszőr vastagsága 80 mikron. A kutikula lemezek rendkívül szorosan egymáshoz tapadnak (3А), és egyes területeken még nehéz is megkülönböztetni az egyes lemezeket. Ennek oka lehet a hajnak a szomszédos hajhoz való súrlódása. A húzófeszültség hatására ezek a szőrszálak a szó szoros értelmében felhasadnak, hosszú repedések megjelenésével (beszúrás 3B), ami azt jelzi, hogy a sérült kutikula gyenge kötőhatása miatt a kéregben lévő keratinrostok könnyen delaminálódtak. A kéreg delaminációja törést okoz a kutikulában, amit a törés cikcakk mintája is bizonyít (3S). Ez a feszültség bizonyos rostok kihúzását okozza a kéregből (3D).
4. kép: vaddisznószőr morfológia (А - közönséges lapos hajszáltörés; В — a kutikula szerkezete a lemezek rossz integritását (csoportosodását) mutatja; С — a kutikula és a kéreg határfelületén lévő rés részletei; D - a teljes tömegből megnyúlt rostok és a kiálló rostok).
A vadkan szőrzete meglehetősen vastag (230 mm), különösen a medve szőréhez képest. A vaddisznószőr tépése, ha sérült, elég jól látszik (4А) merőleges a húzófeszültség irányára.
Viszonylag kicsi, szabaddá vált kutikulalemezek szakadtak ki a haj törzséből a szélük megnyúlása miatt (4V).
A destrukciós zóna felületén jól látható a rostok delaminációja, az is jól látható, hogy a kéreg belsejében nagyon szorosan kapcsolódnak egymáshoz (4S). Csak a kéreg és a kutikula határfelületén lévő rostok kerültek szabaddá az elválasztás miatt (4D), amely vastag kortikális fibrillumok jelenlétét tárta fel (250 nm átmérőjű). A fibrillumok egy része a deformáció miatt kissé kinyúlt. Állítólag erősítik a vadkan szőrét.
5. kép: Elefántszőr morfológia (А - С) és zsiráf (D - F). А - kutikula; В - lépcsőzetes hajtörés; С - a haj belsejében lévő üregek jelzik, hol szakadtak ki a szálak. D - kutikuláris lemezek; Е - egyenletes hajtörés; F - a felületről leszakadt rostok a törési területen.
Egy elefántbébi szőr vastagsága körülbelül 330 mikron lehet, egy felnőttnél pedig elérheti a 1.5 mm-t. A felületen lévő lemezeket nehéz megkülönböztetni (5А).Az elefántszőr is hajlamos a normál lebomlásra, azaz. tiszta húzótörésig. Ráadásul a törésfelület morfológiája lépcsőzetes megjelenést mutat (5V), valószínűleg a hajkéreg kisebb hibái miatt. A törésfelületen néhány apró lyuk is látható, ahol valószínűleg erősítő szálak helyezkedtek el a sérülés előtt (5S).
A zsiráf szőrzete is meglehetősen vastag (370 mikron), bár a kutikulalemezek elrendezése nem olyan egyértelmű (5D). Úgy gondolják, hogy ennek oka a különféle környezeti tényezők által okozott károk (például a fákkal szembeni súrlódás a táplálkozás során). A különbségek ellenére a zsiráf szőrszála hasonló volt az elefántéhoz (5F).
6. kép: capybara szőr morfológiája (А - a lemezek kettős kutikuláris szerkezete; В — a kettős szerkezet szakadása; С — a szakadási határ közelében lévő rostok törékenynek és merevnek tűnnek; D - megnyúlt szálak a kettős szerkezet szakadási zónájából).
A kapibarák és pecák szőrzete eltér az összes többi vizsgált szőrtől. A kapibarában a fő különbség a kettős kutikula konfiguráció és az ovális hajforma jelenléte (6А). A szőr két tükrös része közötti barázda azért szükséges, hogy gyorsabban eltávolítsa a vizet az állat bundájából, valamint a jobb szellőzés érdekében, ami lehetővé teszi a gyorsabb száradást. Nyújtásnak kitéve a haj két részre oszlik a horony mentén, és mindegyik rész megsemmisül (6V). A kéreg sok rostja elválik és megnyúlik (6S и 6D).
7. kép: Peccary haj morfológiája (А - a kutikula szerkezete és a szakadás helye; В — a kéregpusztulás morfológiája és szerkezetének részletei; С — zárt cellák (20 mikron átmérőjű), amelyek fala rostokból áll; D - sejtfalak).
A pecások (család Tayassuidae, azaz peka) haj porózus kéreggel rendelkezik, és a kutikula rétegnek nincsenek külön lemezei (7А). A hajkéreg zárt sejteket tartalmaz, amelyek mérete 10-30 mikron (7V), melynek falai keratin rostokból állnak (7S). Ezek a falak meglehetősen porózusak, és egy pórus mérete körülbelül 0.5-3 mikron (7D).
Ahogy a képen is látható 7А, a rostos kéreg támogatása nélkül a kutikula a törésvonal mentén megreped, a rostok helyenként kihúzódnak. Ez a szőrszerkezet szükséges ahhoz, hogy a szőr függőlegesebb legyen, vizuálisan növelve az állat méretét, ami védekező mechanizmus lehet a peka számára. A pekari haj elég jól ellenáll a tömörítésnek, de nem bírja a nyújtást.
Miután megértették a különböző állatok szőrének szerkezeti jellemzőit, valamint a feszültség okozta károsodás típusait, a tudósok elkezdték leírni a mechanikai tulajdonságokat.
8. számú kép: deformációs diagram az egyes hajtípusokhoz és az adatgyűjtés kísérleti elrendezésének diagramja (nyúlási sebesség 10-2 s-1).
Amint az a fenti grafikonon látható, a különböző állatfajok szőrének feszítésére adott válasz meglehetősen eltérő volt. Így az ember, a ló, a vaddisznó és a medve szőrzete a gyapjú (nem valaki másé, hanem textilanyag) reakciójához hasonló reakciót mutatott.
Viszonylag magas, 3.5–5 GPa rugalmassági modulus mellett a görbék egy lineáris (rugalmas) régióból állnak, amelyet egy 0.20–0.25 nyúlásig lassan növekvő feszültségű plató követ, amely után a keményedés sebessége jelentősen megnő, amíg a meghibásodási feszültség 0.40. A fennsík területe a lazításra utal а-keratin köztes filamentumok spirális szerkezete, mely esetenként (részben) átalakulhat b-lapok (lapos szerkezetek). A teljes letekercselés 1.31-es deformációhoz vezet, ami lényegesen magasabb, mint ennek a szakasznak a végén (0.20–0.25).
A szerkezet kristályos fonalszerű részét egy amorf mátrix veszi körül, amely nem alakul át. Az amorf rész a teljes térfogat mintegy 55%-át teszi ki, de csak akkor, ha a közbenső szálak átmérője 7 nm, és 2 nm amorf anyag választja el őket. Ilyen pontos mutatókat korábbi tanulmányok vezettek le.
A deformáció keményedési szakaszában csúszás történik a kérgi rostok, valamint a kisebb szerkezeti elemek, például a mikroszálak, a köztes filamentumok és az amorf mátrix között.
A zsiráf-, elefánt- és pekka szőrszálak keményedési reakciója viszonylag lineáris, és nincs egyértelmű különbség a fennsíkok és a gyorsan keményedő régiók (csúcsok) között. A rugalmassági modulus viszonylag alacsony és körülbelül 2 GPa.
Más fajoktól eltérően a kapibara szőr gyors keményedéssel jellemezhető, amikor egymást követő feszültségeket alkalmaznak. Ez a megfigyelés a capybara szőrének szokatlan felépítésével, pontosabban két szimmetrikus rész és a közöttük lévő hosszanti barázda jelenlétével függ össze.
Korábbi tanulmányokat már végeztek, amelyek azt mutatják, hogy a Young-modulus (hosszirányú rugalmassági modulus) csökken a szőrátmérő növekedésével különböző állatfajokban. Ezek a munkák megállapították, hogy a peka Young-modulusa lényegesen alacsonyabb, mint más állatoké, ami a szőrszerkezet porozitásának tudható be.
Az is érdekes, hogy a pecák hajukon fekete és fehér területek is vannak (kétszínű). A húzótörések leggyakrabban a haj fehér területén fordulnak elő. A fekete terület fokozott ellenállása a melanoszómák jelenlétének köszönhető, amelyek kizárólag a fekete hajban találhatók.
Mindezek a megfigyelések valóban egyediek, de a fő kérdés továbbra is fennáll: a haj méretei szerepet játszanak-e a haj erősségében?
Ha leírjuk az emlősök szőrét, kiemelhetjük a kutatók által ismert főbb tényeket:
- a legtöbb hajtípusban a középső része vastagabb és a vége felé elvékonyodik; A vadon élő állatok szőrzete az élőhelyük miatt vastagabb;
- Az egyik faj szőrének átmérőjének eltérései azt jelzik, hogy a legtöbb szőr vastagsága az adott állatfajra jellemző általános vastagságtartományon belül változik. A szőrszálak vastagsága eltérhet ugyanannak a fajnak a különböző képviselői között, de hogy mi befolyásolja ezt a különbséget, még nem ismert;
- A különböző emlősfajoknak eltérő a szőrvastagsága (bármilyen közhelynek is hangzik).
Ezeket a nyilvánosan elérhető tényeket és a kísérletek során nyert adatokat összegezve a tudósok össze tudták hasonlítani az eredményeket, hogy összefüggést alakítsanak ki a haj vastagsága és erőssége között.
9. kép: a szőrvastagság és annak erőssége kapcsolata különböző állatfajokban.
A haj átmérőjének és nyújthatóságának különbségei miatt a tudósok úgy döntöttek, hogy megvizsgálják, hogy a húzófeszültségeik előre jelezhetők-e a Weibull-statisztikák alapján, amelyek kifejezetten a mintaméretben és az ebből eredő hibaméretben mutatkozó különbségeket magyarázzák.
Feltételezzük, hogy egy hajszegmens térfogata V Состоит из n térfogatelemek és minden térfogategység V0 hasonló eloszlású a hibák. A leggyengébb láncszem feltételezésével, adott feszültségszinten σ valószínűség P adott hajszegmens integritásának fenntartása volumennel V kifejezhető az egyes kötetelemek integritásának megőrzésének további valószínűségeinek szorzataként, nevezetesen:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
hol a hangerő V n térfogatelemet tartalmaz V0. Ahogy nő a feszültség P(V) természetesen csökken.
Kétparaméteres Weibull-eloszlással a teljes térfogat meghibásodásának valószínűsége a következőképpen fejezhető ki:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
ahol σ - alkalmazott feszültség, σ0 a karakterisztikus (referencia) erősség, és m — Weibull-modulus, amely a tulajdonság változékonyságának mértéke. Érdemes megjegyezni, hogy a pusztulás valószínűsége a mintaszám növekedésével nő V állandó feszültségen σ.
A diagramon 9А A kísérleti tönkremeneteli feszültségek Weibull-eloszlása látható az emberi és a kapibara hajra. Más fajok görbéit a #2 képlet segítségével jósolták meg, ugyanazzal az m értékkel, mint az emberi haj esetében (m = 0.11).
A használt átlagos átmérők a következők voltak: vaddisznó – 235 µm, ló – 200 µm, peka – 300 µm, medve – 70 µm, elefántszőr – 345 µm és zsiráf – 370 µm.
Azon alapul, hogy a szakítófeszültség at P(V) = 0.5, ezek az eredmények azt mutatják, hogy a tönkremeneteli feszültség csökken a szőrátmérő növekedésével a fajok között.
A diagramon 9V előrejelzett szakadási feszültségeket mutat 50%-os meghibásodási valószínűség mellett (P(V) = 0.5) és a különböző fajok átlagos kísérleti törési feszültsége.
Világossá válik, hogy ahogy a haj átmérője 100-ról 350 mm-re nő, törési feszültsége 200-250 MPa-ról 125-150 MPa-ra csökken. A Weibull-eloszlás szimulációs eredményei kiváló összhangban vannak a tényleges megfigyelési eredményekkel. Az egyetlen kivétel a pekari haj, mivel rendkívül porózus. A pekari haj tényleges erőssége alacsonyabb, mint a Weibull-eloszlási modellezés.
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
A fenti megfigyelések fő következtetése az, hogy a vastag haj nem egyenértékű az erős hajjal. Igaz, ahogy maguk a tudósok mondják, ez az állítás nem az ezredforduló felfedezése, mivel hasonló megfigyeléseket végeztek a fémhuzal tanulmányozása során. A lényeg itt nem is a fizikában, a mechanikában vagy a biológiában van, hanem a statisztikában – minél nagyobb az objektum, annál nagyobb a hibák lehetősége.
A tudósok úgy vélik, hogy a ma áttekintett munka segít kollégáiknak új szintetikus anyagok létrehozásában. A fő probléma az, hogy a modern technológiák fejlődése ellenére még nem képesek emberi vagy elefántszőrt létrehozni. Hiszen egy ilyen kicsi dolgot megalkotni már kihívás, nem is beszélve a bonyolult szerkezetéről.
Amint látjuk, ez a tanulmány kimutatta, hogy nem csak a pókselyem érdemli meg a tudósok figyelmét, mint ihletet a jövőbeni ultraerős és ultrakönnyű anyagokhoz, hanem az emberi haj is meglephet mechanikai tulajdonságaival és elképesztő erejével.
Köszönöm, hogy elolvastad, maradjatok kíváncsiak és további szép hetet srácok. 🙂
Néhány hirdetés 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, , a belépő szintű szerverek egyedülálló analógja, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
A Dell R730xd kétszer olcsóbb az amszterdami Equinix Tier IV adatközpontban? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com