I capelli per l'uomo moderno sono solo un elemento di identificazione visiva, parte dell'immagine e dello stile. Nonostante ciò, queste formazioni cornee della pelle hanno alcune importanti funzioni biologiche: protezione, termoregolazione, tatto, ecc. Quanto sono resistenti i nostri capelli? Si è scoperto che sono molte volte più resistenti dei capelli di un elefante o di una giraffa.
Oggi ci immergeremo in uno studio in cui gli scienziati dell'Università della California (USA) hanno deciso di verificare come si correli lo spessore del capello e la sua resistenza tra diverse specie animali, compreso l'uomo. I capelli di quale specie si sono rivelati i più resistenti, quali proprietà meccaniche hanno i capelli delle diverse specie e come questo studio può aiutare nello sviluppo di nuovi tipi di materiali? Lo scopriremo nella relazione degli scienziati. Andiamo.
Fondamenti della ricerca
I capelli, costituiti per la maggior parte da proteine cheratiniche, sono formazioni cornee della pelle dei mammiferi. In effetti, capelli, pelliccia e pelo sono sinonimi. Strutturalmente, il capello è composto da scaglie di cheratina che si sovrappongono l'una sull'altra, come tessere di domino cadute. Ogni capello ha tre strati: la cuticola — lo strato esterno e protettivo; il corticale — la sostanza corticale composta da cellule morte allungate (importante per la resistenza e l'elasticità del capello, ne determina il colore grazie alla melamina) e la sostanza midollare — lo strato centrale del capello, composto da cellule cheratiniche morbide e spazi aerei, che partecipa al trasporto di nutrienti verso gli altri strati.
Se si divide un capello verticalmente, otteniamo la parte epidermica (fusto) e quella sottocutanea (bulbo o radice). Il bulbo è circondato da un follicolo, la forma del quale determina anche la forma del capello stesso: follicolo rotondo — liscio, follicolo ovale — leggermente riccio, follicolo a forma di gemma — riccio.
Molti scienziati ipotizzano che, a causa del progresso tecnologico, l'evoluzione umana stia cambiando. In altre parole, alcuni organi e strutture nel nostro corpo stanno lentamente diventando rudimentali, ossia hanno perso la loro funzione originale. Tra queste parti del corpo ci sono i denti del giudizio, l'appendice e il pelo sul corpo. In altri termini, gli scienziati ritengono che col passare del tempo queste strutture scompariranno semplicemente dalla nostra anatomia. Se sia vero o no, è difficile dirlo, ma per molti individui i denti del giudizio, ad esempio, sono associati alla visita dal dentista per la loro inevitabile estrazione.
In ogni caso, i capelli sono utili per l'uomo, anche se oggi non giocano più un ruolo fondamentale nella termoregolazione, ma dal punto di vista estetico rimangono una parte essenziale. Lo stesso può dirsi della cultura mondiale. In molti paesi, da sempre, i capelli sono stati considerati una fonte di forza, e il loro taglio era associato a possibili problemi di salute e persino a fallimenti nella vita. Il significato sacro dei capelli è passato dai rituali sciamanici delle antiche tribù a religioni più moderne, opere di scrittori, artisti e scultori. In particolare, la bellezza femminile è stata spesso strettamente legata all'aspetto o alla rappresentazione (ad esempio, nei dipinti) dei capelli delle signore.
Nota quanto siano dettagliati i capelli di Venere (Sandro Botticelli, "Nascita di Venere", 1485).
Mettiamo da parte l'aspetto culturale ed estetico dei capelli e iniziamo a esaminare la ricerca degli scienziati.
I capelli, in un modo o nell'altro, sono presenti in molte specie di mammiferi. Se per l'uomo non sono più così importanti dal punto di vista biologico, per altri rappresentanti del regno animale, la pelliccia e il pelo sono attributi essenziali. Tuttavia, nella loro struttura fondamentale, i capelli umani e, per esempio, quelli degli elefanti sono molto simili, anche se ci sono delle differenze. La più ovvia di queste è la dimensione, poiché i peli degli elefanti sono molto più spessi dei nostri, ma, come si è scoperto, non sono più resistenti.
I ricercatori studiando i capelli e la pelliccia da tempo. I risultati di questi studi sono stati realizzati sia in cosmetologia e medicina, sia nell'industria leggera (o come direbbe la nota Kalugina L.P.: «industria leggera»), più precisamente nell'industria tessile. Inoltre, lo studio dei capelli ha notevolmente aiutato nello sviluppo di biomateriali a base di cheratina, che già all'inizio del secolo scorso sono stati separati dalle corna degli animali mediante calce.
La cheratina ottenuta in questo modo è stata utilizzata per creare gel, che possono essere rinforzati tramite l'aggiunta di formaldeide. In seguito, si è appreso a isolare la cheratina non solo dalle corna degli animali, ma anche dalla loro pelliccia e dai capelli umani. Le sostanze realizzate a base di cheratina hanno trovato applicazione nella cosmetica, nei compositi e persino nel rivestimento delle compresse.
Oggi, il settore dello studio e della produzione di materiali resistenti e leggeri si sta sviluppando rapidamente. I capelli, essendo naturalmente tali, sono uno dei materiali naturali che ispirano ricerche di questo tipo. Vale la pena notare la resistenza alla trazione della pelliccia e dei capelli umani, che varia da 200 a 260 MPa, equivalente a una resistenza specifica di 150-200 MPa / mg m-3. E questo è praticamente paragonabile all'acciaio (250 MPa / mg m-3).
Il principale ruolo nella formazione delle proprietà meccaniche del capello è svolto dalla sua struttura gerarchica, che ricorda una matrioska. L'elemento più importante di questa struttura è il corticale interno composto da cellule corticali (diametro di circa 5 μm e lunghezza di 100 μm), costituite da macrofibrille raggruppate (diametro di circa 0.2-0.4 μm), che a loro volta sono composte da filamenti intermedi (7.5 nm di diametro), inseriti in una matrice amorfa.
Le proprietà meccaniche dei capelli, la loro sensibilità alla temperatura, all'umidità e alla deformazione sono il risultato diretto dell'interazione tra i componenti amorfi e cristallini del corticale. Le fibre cheratiniche del corticale dei capelli umani generalmente hanno una grande estensibilità con una deformazione a rottura superiore al 40%.
Un valore così alto è dovuto all'apertura della struttura e-cheratina e, in alcuni casi, alla sua trasformazione in b-cheratina, il che porta a un aumento della lunghezza (un giro completo della spirale 0.52 nm si allunga fino a 1.2 nm in configurazione) b). Questo è uno dei principali motivi per cui molte ricerche si sono concentrate sul cheratina, per ricrearla in forma sintetica. Il strato esterno dei capelli (cuticola), come già sappiamo, è composto da piastre (spessore 0,3–0,5 µm e 40–60 µm di lunghezza).
In passato, gli scienziati hanno già condotto studi sulle proprietà meccaniche dei capelli delle persone di diverse età e gruppi etnici. In questo lavoro, invece, l'accento è stato posto sull'analisi delle differenze nelle proprietà meccaniche dei capelli di diversi tipi di animali, in particolare: esseri umani, cavalli, orsi, cinghiali, capibara, pecari, giraffe e elefanti.
Risultati dello studio
Immagine n. 1: morfologia del capello umano (A — cuticola; In — frattura del corticale; mostrando le estremità delle fibre, C — superficie della frattura, dove si vedono tre strati; D — superficie laterale del corticale, che mostra l'allungamento delle fibre).
Il diametro di un capello di un adulto è di circa 80-100 µm. Con una cura adeguata, l'aspetto dei capelli risulta piuttosto integro (1A). Il componente interno dei capelli umani è il corticale fibroso. Dopo un test di trazione, è stato scoperto che la cuticola e il corticale dei capelli umani si rompono in modo diverso: la cuticola solitamente si rompe abrasivamente (si sbriciola), mentre le fibre di cheratina nel corticale si sono staccate e allungate dalla struttura complessiva (1B).
Nella foto 1С è chiaramente visibile la superficie fragile della cuticola con visualizzazione degli strati, che sono piastre sovrapposte della cuticola e hanno uno spessore di 350–400 nm. Il delamination osservato sulla superficie di frattura, così come la natura fragile di questa superficie, mostrano una debole connessione interfaciale tra la cuticola e il corticale, così come tra le fibre all'interno del corticale.
Le fibre di cheratina nel corticale sono state delaminate (1D). Questo indica che il corticale fibroso è principalmente responsabile della resistenza meccanica del capello.
Immagine n. 2: morfologia del capello di cavallo (A — cuticola, alcune piastre delle quali sono leggermente reclinate a causa della scarsa cura; In — aspetto della rottura; C — dettagli della rottura del corticale, dove è visibile la cuticola strappata; D — dettagli della cuticola).
La struttura dei capelli di cavallo è simile a quella umana, con l'eccezione del diametro, che è superiore del 50% (150 µm). Nella foto 2A si possono osservare evidenti danni alla cuticola, dove molte lamelle non sono così saldamente collegate al fusto come era nei capelli umani. Il punto di rottura dei capelli del cavallo mostra sia una frattura comune che una rottura del capello (sfaldamento delle lamelle della cuticola). Su 2D sono visibili entrambe le varianti di danno. Nelle aree in cui le lamelle si sono completamente staccate, si vede l'interfaccia tra la cuticola e il cortice (2C). Diverse fibre sono state strappate e si sono sfaldate nella zona dell'interfaccia. Confrontando i dati osservati con quelli precedenti (capelli umani), tali distruzioni indicano che i capelli dei cavalli non hanno subito la stessa forte tensione dei capelli umani quando le fibre nel cortice sono state allungate e completamente staccate dalla cuticola. Si nota anche che alcune lamelle si sono disconnesse dal fusto, il che può essere correlato alla tensione da stiramento (2D).
Immagine n°3: morfologia del pelo dell'orso (A — cuticola; In — danni in due punti, legati all'area di rottura; C — crepe nella cuticola con sfaldamento delle fibre nel cortice; D — dettagli della struttura delle fibre, si notano diverse fibre allungate dalla struttura generale).
Lo spessore del pelo dell'orso è di 80 µm. Le lamelle della cuticola sono estremamente saldamente collegate tra loro (3A), e in alcune aree è persino difficile distinguere le singole lamelle. Questo potrebbe essere dovuto all'attrito del pelo con quelli adiacenti. Sotto tensione di stiramento, questi peli si sono letteralmente spezzati con la comparsa di lunghe crepe (inserto su 3B), il che indica che, con un debole effetto di legame della cuticola danneggiata, le fibre cheratiniche nel cortice si sono facilmente sfaldate. Lo sfaldamento del cortice provoca la rottura della cuticola, come dimostrato dal modello a zigzag della frattura (3C). Questa tensione porta all'allungamento di alcune fibre dal cortice (3D).
Immagine n°4: morfologia del pelo del cinghiale (A — comune rottura piatta del pelo; In — la struttura della cuticola mostra una cattiva integrità (raggruppamento) delle lamelle; C — dettagli della rottura all'interfaccia tra cuticola e cortice; D — fibre allungate rispetto alla massa generale e fibrille sporgenti).
I peli del cinghiale sono abbastanza spessi (230 mm), specialmente rispetto a quelli dell'orso. La rottura dei peli del cinghiale in caso di danno appare piuttosto chiara (4A) perpendicolare alla direzione della tensione durante la trazione.
Relativamente piccole lamine esposte della cuticola sono state strappate dal corpo principale del capello a causa della trazione dei loro bordi (4В).
Sulla superficie della zona di rottura è visibile chiaramente il disaccoppiamento delle fibre, inoltre è evidente che erano molto strettamente legate tra loro all'interno del corticale (4С). Solo le fibre all'interfaccia tra corticale e cuticola sono state esposte a causa della separazione (4D), rivelando la presenza di spesse fibrille del corticale (250 nm di diametro). Alcune delle fibrille sporgevano leggermente a causa della deformazione. Si ipotizza che esse servano come rinforzo per i peli del cinghiale.
Immagine n. 5: morfologia dei capelli dell'elefante (A — C) e della giraffa (D — F). A — cuticola; In — frattura scalare del capello; C — le cavità all'interno del capello indicano dove sono state strappate le fibre. D — lamine cuticolari; E — frattura piatta del capello; F — fibre strappate dalla superficie nella zona di frattura.
I peli del cucciolo di elefante possono avere uno spessore di circa 330 μm, mentre quelli degli adulti possono raggiungere 1.5 mm. Le lamine sulla superficie sono difficili da distinguere (5A). I peli dell'elefante sono anche soggetti a rottura normale, cioè a frattura pulita durante la trazione. La morfologia della superficie di rottura mostra un aspetto scalare (5B), probabilmente dovuto alla presenza di lievi difetti nel corticale del capello. Sulla superficie della frattura si possono anche vedere alcune piccole aperture, dove prima del danno, probabilmente, si trovavano fibrille di rinforzo (5C).
Anche i peli della giraffa sono abbastanza spessi (370 μm), sebbene il posizionamento delle lamine cuticolari non sia così definito (5D). Si ritiene che ciò sia dovuto ai danni causati da vari fattori ambientali (ad esempio, sfregamenti contro gli alberi durante l'alimentazione). Nonostante le differenze, la frattura dei peli della giraffa era simile a quella dell'elefante (5F).
Immagine n. 6: morfologia del pelo della capibara (A — struttura cuticolare doppia delle lamine; In — rottura della struttura doppia; C — le fibre vicino al confine della rottura appaiono fragili e rigide; D — fibre allungate dalla zona di rottura della struttura doppia).
I peli della capibara e del pecari si differenziano dagli altri peli studiati. Nella capibara, la principale differenza è la presenza di una configurazione cuticolare doppia e la forma ovale del pelo (6A). Il solco tra le due parti speculari dei peli è necessario per una più rapida rimozione dell'acqua dalla pelliccia dell'animale, nonché per una migliore ventilazione, che consente di asciugarsi più rapidamente. Quando viene applicata tensione, i peli si dividono in due parti lungo il solco, e ciascuna di queste parti si rompe (6B). Molte fibre del cortice si sfaldano e si allungano (6C e 6D).
Immagine n. 7: morfologia del pelo del pecari (A — struttura della cuticola e punto di rottura; In — morfologia della rottura del cortice e dettagli della sua struttura; C — cellule chiuse (20 μm di diametro), le cui pareti sono costituite da fibre; D — pareti delle cellule).
Nel pecari (famiglia Tayassuidae, ovvero i pecari) i peli presentano un cortice poroso, mentre lo strato di cuticola non ha piastre definite (7A). Il cortice del pelo contiene cellule chiuse di dimensioni comprese tra 10 e 30 μm (7B), le cui pareti sono costituite da fibre di cheratina (7C). Queste pareti sono abbastanza porose, e la dimensione di un poro è di circa 0,5-3 μm (7D).
Come si può vedere nella foto 7A, senza il supporto del cortice fibroso, la cuticola si screpola lungo la linea di rottura, e le fibre in alcuni punti si allungano. Questa struttura del pelo è necessaria affinché i peli siano più verticali, aumentando visivamente le dimensioni dell'animale, il che può rappresentare un meccanismo di difesa per il pecari. I peli del pecari si oppongono abbastanza bene alla compressione, ma non riescono a gestire la tensione.
Dopo aver esaminato le caratteristiche strutturali dei peli di diversi animali e i loro tipi di danni causati dalla tensione, gli scienziati hanno iniziato a descrivere le proprietà meccaniche.
Immagine n. 8: diagramma di deformazione per ciascun tipo di pelo e schema dell'impianto sperimentale per la raccolta dei dati (velocità di deformazione 10-2 s-1).
Come si può vedere dal grafico sopra, la reazione alla tensione dei peli di diversi tipi di animali è stata piuttosto varia. Così, i peli dell'uomo, del cavallo, del cinghiale e dell'orso hanno mostrato una reazione simile a quella della pelliccia (non a qualcun'altra, ma a quella di materiale tessile).
Con un modulo di elasticità relativamente alto, pari a 3,5–5 GPa, le curve consistono in una zona lineare (elastica), seguita da un plateau con tensione in crescita lenta fino a una deformazione di 0,20–0,25, dopo di che la velocità di indurimento aumenta notevolmente fino a una deformazione di rottura di 0,40. L'area plateau si riferisce al disimballaggio. e-struttura a spirale dei filamenti intermedi di cheratina, che in alcuni casi possono (parzialmente) trasformarsi in b-foglie (strutture piatte). Lo svolgimento completo porta invece a una deformazione di 1,31, che è significativamente superiore a quella della fine di questa fase (0,20–0,25).
La parte cristallina filamentosa della struttura è circondata da una matrice amorfa, che non si trasforma. La parte amorfa costituisce circa il 55% del volume totale, ma solo a condizione che il diametro dei filamenti intermedi sia di 7 nm e che siano separati da un materiale amorfo di 2 nm. Questi dati precisi sono stati derivati in studi precedenti.
Nella fase di deformazione, caratterizzata dal rinforzo, avviene uno scorrimento tra le fibre cortecciali, così come tra elementi strutturali più piccoli, come le microfibrille, i filamenti intermedi e la matrice amorfa.
I peli di giraffa, elefante e pecari mostrano una reazione di rinforzo relativamente lineare senza una chiara distinzione tra plateau e aree di rapido rinforzo (picchi). Il modulo di elasticità è relativamente basso e pari a circa 2 GPa.
A differenza di altre specie, i peli di capibara mostrano una reazione caratterizzata da un rapido rinforzo, su cui si sovrappongono tensioni successive. Questa osservazione è legata alla particolare struttura del pelo di capibara, più precisamente alla presenza di due parti simmetriche e di una fessura longitudinale tra di esse.
Sono già stati condotti studi che affermano che il modulo di Young (modulo di elasticità longitudinale) diminuisce all'aumentare del diametro del pelo in diverse specie animali. In questi studi si è osservato che il modulo di Young nel pecari è significativamente più basso rispetto ad altri animali, il che potrebbe essere correlato alla porosità della struttura dei suoi peli.
È interessante notare che il pecari ha aree nere e bianche sul pelo (doppia colorazione). Le rotture durante la tensione avvengono più frequentemente nell'area bianca del pelo. L'elevata resistenza dell'area nera è spiegata dalla presenza di melanociti, che si trovano esclusivamente nei peli neri.
Tutte queste osservazioni sono davvero uniche, ma resta una domanda fondamentale: i dimensionamenti del pelo influiscono sulla sua resistenza?
Se si descrivono i peli nei mammiferi, si possono evidenziare alcuni fatti principali noti agli studiosi:
- per la maggior parte delle specie, i peli sono più spessi nella parte centrale e si assottigliano verso la punta; il pelo degli animali selvatici è più spesso a causa dell'ambiente in cui vivono;
- le variazioni nel diametro dei peli di una stessa specie mostrano che lo spessore della maggior parte dei peli varia all'interno di un intervallo generale di spessore per quella specie animale. Lo spessore dei peli può differire tra diversi esemplari della stessa specie, ma non si sa ancora cosa influisca su questa differenza;
- le diverse specie di mammiferi presentano uno spessore dei peli diverso (per quanto possa sembrare banale).
Riassumendo questi fatti di pubblico dominio e i dati ottenuti durante gli esperimenti, gli scienziati sono stati in grado di mettere in correlazione tutti i risultati per formare dipendenze tra lo spessore del pelo e la sua resistenza.
Immagine n. 9: rapporto tra lo spessore del pelo e la sua resistenza tra diverse specie animali.
A causa delle differenze nel diametro e nell'elasticità dei peli, gli scienziati hanno deciso di verificare se fosse possibile prevedere la loro resistenza alla rottura basandosi sulla statistica di Weibull, che può considerare specificamente le differenze nelle dimensioni del campione e nella dimensione del difetto risultante.
Si presuppone che il segmento di pelo con volume V sia composto da n elementi di volume, ciascun singolo volume V0 ha una distribuzione dei difetti simile. Utilizzando l'ipotesi del punto più debole, a un dato livello di tensione σ la probabilità P di mantenere l'integrità di questo segmento di pelo con volume V può essere espressa come il prodotto delle probabilità aggiuntive di mantenere l'integrità di ciascuno degli elementi di volume, vale a dire:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
dove il volume V contiene n elementi di volume V0. All'aumentare della tensione P(V) diminuisce naturalmente.
Utilizzando la distribuzione a due parametri di Weibull, la probabilità di rottura dell'intero volume può essere espressa come:
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
dove σ — tensione applicata, σ0 — resistenza caratteristica (di riferimento), e m — modulo di Weibull, che è una misura della variabilità delle proprietà. Va notato che la probabilità di rottura aumenta con l'aumentare del volume del campione V a tensione costante σ.
Nel grafico 9A è mostrata la distribuzione di Weibull delle tensioni di rottura sperimentali per i capelli umani e della capibara. Le curve per altre specie sono state previste utilizzando la formula n. 2 con lo stesso valore di m, che per i capelli umani (m = 0.11).
Come diametro medio sono stati utilizzati: cinghiale — 235 µm, cavallo — 200 µm, porcellino d’India — 300 µm, orso — 70 µm, pelo di elefante — 345 µm e giraffa — 370 µm.
Dato che la tensione di rottura può essere determinata con P(V) = 0,5, questi risultati mostrano che la tensione di rottura diminuisce con l'aumento del diametro del pelo nelle diverse specie.
Nel grafico 9B sono mostrate le tensioni di rottura previste con il 50% di probabilità di rottura (P(V) = 0,5) e la tensione di rottura sperimentale media per diverse specie.
È chiaro che con l'aumento del diametro del pelo da 100 a 350 mm, la sua tensione di rottura diminuisce da 200–250 MPa a 125–150 MPa. I risultati della modellazione basata sulla distribuzione di Weibull concordano perfettamente con i risultati delle osservazioni effettive. L'unica eccezione sono i peli del porcellino d'India, poiché sono estremamente porosi. La resistenza effettiva del pelo del porcellino d'India è inferiore a quella mostrata dalla modellazione basata sulla distribuzione di Weibull.
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad essa.
Epilogo
Il principale risultato delle osservazioni sopra descritte è che i peli spessi non sono equivalenti a quelli resistenti. In verità, come dicono gli stessi scienziati, questa affermazione non è una scoperta del millennio, poiché osservazioni simili sono state fatte anche nello studio dei filamenti metallici. Qui non si tratta nemmeno di fisica, meccanica o biologia, ma di statistica: più grande è l'oggetto, maggiore è lo spazio per i difetti.
Gli scienziati credono che il lavoro che abbiamo considerato oggi aiuterà i loro colleghi a creare nuovi materiali sintetici. Il principale problema è che, nonostante lo sviluppo delle tecnologie moderne, non sono ancora in grado di creare qualcosa di simile ai capelli umani o agli elefanti. Infatti, creare qualcosa di così piccolo è già una sfida, per non parlare della sua struttura complessa.
Come vediamo, questa ricerca ha dimostrato che non solo la seta di ragno merita l'attenzione degli scienziati come fonte di ispirazione per materiali estremamente resistenti e leggeri, ma anche i capelli umani possono sorprendere con le loro proprietà meccaniche e straordinaria resistenza.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi. 🙂
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Fonte: habr.com
