I capelli per l'uomo moderno non sono altro che un elemento di autoidentificazione visiva, parte dell'immagine e dello stile. Tuttavia, queste formazioni cornee della pelle svolgono diverse funzioni biologiche importanti: protezione, termoregolazione, tatto, ecc. Quanto sono forti i nostri capelli? A quanto pare, sono di gran lunga più resistenti dei capelli di un elefante o di una giraffa.
Oggi ci immergeremo in uno studio in cui i ricercatori dell'Università della California (USA) hanno deciso di verificare come correli lo spessore del capello e la sua resistenza tra diverse specie animali, compresi gli esseri umani. Quali capelli sono risultati i più resistenti, quali proprietà meccaniche possiedono i capelli di diverse specie e in che modo questa ricerca può aiutare nello sviluppo di nuovi tipi di materiali? Scopriamolo nella relazione degli scienziati. Andiamo.
La base della ricerca
I capelli, composti principalmente da proteina cheratina, sono formazioni cornee della pelle dei mammiferi. In effetti, capelli, pelliccia e pelo sono sinonimi. Strutturalmente, un capello è composto da scaglie di cheratina sovrapposte l'una all'altra, come le tessere di un domino cadute. Ogni capello ha tre strati: la cuticola, strato esterno e protettivo; il midollo, sostanza corticale composta da cellule morte allungate (importante per la resistenza e l'elasticità del capello, determina il suo colore attraverso la melanina) e il tessuto midollare, strato centrale del capello, composto da cellule cheratiniche morbide e cavità d'aria, che partecipa al trasferimento di nutrienti agli altri strati.
Se si divide un capello verticalmente, otteniamo la parte erma (fusto) e quella sottocutanea (bulbo o radice). Il bulbo è circondato dal follicolo, la forma del quale determina anche la forma del capello stesso: follicolo rotondo — dritto, follicolo ovale — leggermente ondulato, follicolo a forma di bocciolo — riccio.
Molti scienziati suggeriscono che l'evoluzione umana stia cambiando a causa del progresso tecnologico. In altre parole, alcuni organi e strutture del nostro corpo stanno diventando gradualmente rudimentali, ossia hanno perso la loro funzione originale. Tra queste parti del corpo ci sono i denti del giudizio, l'appendice e il pelo corporeo. In altre parole, gli scienziati ritengono che, nel corso del tempo, queste strutture scompariranno semplicemente dalla nostra anatomia. Se questo sia vero o meno è difficile dirlo, ma per molti, i denti del giudizio, ad esempio, sono associati alla visita dal dentista per la loro inevitabile estrazione.
In ogni caso, i capelli sono necessari per l'essere umano; forse non svolgono più un ruolo fondamentale nella termoregolazione, ma rimangono una parte essenziale dell'estetica. Lo stesso si può dire della cultura mondiale. In molti paesi, fin dai tempi antichi, i capelli sono stati considerati una fonte di forza, e il loro taglio era associato a possibili problemi di salute e persino a sfortune nella vita. Il significato sacro dei capelli si è trasferito dai rituali sciamanici delle antiche tribù alle religioni più moderne, alle 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 dame.
Osserva quanto sono dettagliati i capelli di Venere (Sandro Botticelli, "La 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 una forma o nell'altra, sono presenti in molte specie di mammiferi. Se per l'essere umano non sono più così importanti dal punto di vista biologico, per altri membri del regno animale la pelliccia e il pelo sono attributi vitali. La struttura di base dei capelli umani e, ad esempio, di quelli dell'elefante sono molto simili, anche se ci sono differenze. La più evidente di queste è la dimensione, poiché i capelli dell'elefante sono molto più spessi dei nostri, ma, come si è scoperto, non sono più robusti.
Gli scienziati studiano i capelli e il pelo da molto tempo. I risultati di queste ricerche sono stati applicati sia in cosmetologia e medicina, sia nell'industria leggera (o come direbbe la nota Kalugina L.P.: «industria leggera»), più precisamente nel settore tessile. Inoltre, lo studio dei capelli ha notevolmente aiutato nello sviluppo di biomateriali a base di cheratina, che all'inizio del secolo scorso sono stati isolati dagli zoccoli degli animali usando la calce.
La cheratina ottenuta in questo modo è stata utilizzata per creare gel che potevano essere potenziati aggiungendo formaldeide. In seguito, è stato possibile estrarre la cheratina non solo dalle corna degli animali, ma anche dalle loro fibre e dai capelli umani. Le sostanze create a base di cheratina hanno trovato applicazione nella cosmetica, nei compositi e persino nel rivestimento delle compresse.
Oggi il settore della ricerca e produzione di materiali leggeri e resistenti sta vivendo una rapida evoluzione. I capelli, essendo naturalmente tali, sono uno dei materiali naturali che ispirano questo tipo di studi. La resistenza alla trazione della lana e dei capelli umani può raggiungere valori tra 200 e 260 MPa, equivalenti a una resistenza specifica di 150-200 MPa / mg m-3. Questo è praticamente paragonabile all'acciaio (250 MPa / mg m-3).
Il ruolo principale nella formazione delle proprietà meccaniche dei capelli è svolto dalla sua struttura gerarchica, simile a una matrioska. L'elemento più importante di questa struttura è il corticale interno, composto da cellule corteccia (diametro circa 5 μm e lunghezza 100 μm), che consistono in macrofibrille raggruppate (diametro circa 0.2-0.4 μm), le quali, a loro volta, sono composte da filamenti intermedi (7.5 nm di diametro), integrati in una matrice amorfa.
Le proprietà meccaniche dei capelli, la loro sensibilità a temperatura, umidità e deformazione sono il risultato diretto dell'interazione tra le componenti amorfe e cristalline del corticale. Le fibre di cheratina nel corticale dei capelli umani generalmente possiedono una maggiore elasticità, con una deformazione alla rottura superiore al 40%.
Questo alto valore è dovuto al disassemblaggio della struttura Più di 40.000 clienti in oltre 120 paesi-cheratina e, in alcuni casi, alla sua trasformazione in b-cheratina, che porta a un aumento della lunghezza (un ciclo completo della spirale di 0.52 nm si estende fino a 1.2 nm nella configurazione b). Questa è una delle principali ragioni 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 scaglie (dello spessore di 0,3–0,5 µm e 40–60 µm di lunghezza).
In passato, gli scienziati hanno già condotto studi sulle proprietà meccaniche dei capelli di persone di diverse età e gruppi etnici. In questo lavoro, l'accento è stato posto sull'analisi delle differenze nelle proprietà meccaniche dei capelli di diverse specie animali, vale a dire: umano, cavallo, orso, cinghiale, capibara, pecari, giraffa ed elefante.
Risultati della ricerca
Immagine n. 1: morfologia del capello umano (E — cuticola; In — frattura del corticale; che mostra le estremità delle fibre, C — superficie della frattura, dove sono visibili tre strati; D — superficie laterale del corticale, che mostra l'allungamento della fibra).
Il diametro dei capelli di un adulto è di circa 80-100 µm. Con una normale cura dei capelli, il loro aspetto è abbastanza integro (1A). Il componente interno dei capelli umani è il cortex fibroso. Dopo il test di trazione, si è scoperto che la cuticola e il cortex dei capelli umani si rompevano in modo diverso: la cuticola di solito si rompeva abrasivamente (si sfaldava), mentre le fibre di cheratina nel cortex venivano delaminati e allungati dalla struttura complessiva (1B).
Nell'immagine 1C la superficie fragile della cuticola è chiaramente visibile con una visualizzazione degli strati, che sono squame sovrapposte con uno spessore di 350–400 nm. Il delaminamento osservato sulla superficie della rottura, così come la natura fragile di questa superficie, mostrano una debole connessione interfaciale tra la cuticola e il cortex, così come tra le fibre all'interno del cortex.
Le fibre di cheratina nel cortex erano delaminati (1D). Questo indica che il cortex fibroso è principalmente responsabile della resistenza meccanica del capello.
Immagine n. 2: morfologia dei capelli di cavallo (E — cuticola, alcune scaglie delle quali sono leggermente piegate a causa di una mancanza di cura; In — aspetto della rottura; C — dettagli della rottura del cortex, dove è visibile la cuticola strappata; D — dettagli della cuticola).
La struttura dei peli di cavallo è simile a quella umana, ad eccezione del diametro, che è superiore del 50% (150 μm). Nella foto 2A si possono vedere danni evidenti alla cuticola, dove molti strati non sono così strettamente legati al fusto come nei capelli umani. Il punto di rottura del pelo di cavallo presenta sia una frattura comune che una rottura del pelo (sfaldamento degli strati della cuticola). Nella 2B si vedono entrambe le varianti di danno. Nelle aree in cui gli strati sono completamente staccati, è visibile l'interfaccia tra la cuticola e il corticale (2C). Alcuni filamenti sono stati strappati e si sfaldano nell'area dell'interfaccia. Confrontando queste osservazioni con quelle precedenti (capello umano), simili distruzioni indicano che i peli dei cavalli non hanno subito la stessa intensa tensione dei capelli umani quando i filamenti nel corticale sono stati allungati e completamente staccati dalla cuticola. È anche visibile che alcuni strati si sono staccati dal fusto, il che potrebbe essere correlato a tensione da trazione (2D).
Immagine n. 3: morfologia del pelo di orso (E — cuticola; In – danni in due punti, relativi all'area della rottura; C — screpolature della cuticola con sfaldamento delle fibre nel corticale; D — dettagli della struttura delle fibre, visibili vari filamenti allungati nella struttura generale).
Lo spessore dei peli di cinghiale è di 80 µm. Le lamine della cuticola sono estremamente saldamente ancorate l'una all'altra (3A), e in alcune aree è persino difficile distinguere le singole lamine. Ciò può essere collegato all'attrito dei peli con quelli adiacenti. Sotto tensione di trazione, questi peli si spezzavano letteralmente con la comparsa di lunghe crepe (inserto su 3B), il che indica che a causa dell'effetto di legame debole della cuticola danneggiata, le fibre di cheratina nel corticale si sfaldavano facilmente. Lo sfaldamento del corticale provoca rottura della cuticola, come confermato dal motivo a zigzag della frattura (3C). Questa tensione porta all'estrazione di alcune fibre dal corticale (3D).
Immagine n. 4: morfologia del pelo di cinghiale (E — rottura piatta comune del pelo; In — la struttura della cuticola dimostra scarse condizioni di integrità (aggregazione) delle lamine; C — dettagli della rottura all'interfaccia tra cuticola e corticale; D — fibre estratte dalla massa generale e fibrille sporgenti).
I peli del cinghiale sono piuttosto spessi (230 mm), specialmente rispetto a quelli dell'orso. La rottura dei peli del cinghiale in caso di danno appare abbastanza evidente (4A) perpendicolarmente alla direzione di tensione durante l'allungamento.
Relativamente piccole placche di cuticola erano strappate dal corpo principale del pelo a causa dell'allungamento dei loro bordi (4B).
Sulla superficie della zona di rottura si può chiaramente vedere il delaminamento delle fibre; è inoltre evidente che erano molto strettamente legate tra loro all'interno della corteccia (4С). Solo le fibre all'interfaccia tra la corteccia e la cuticola erano esposte a causa della separazione (4D), rivelando la presenza di grosse fibrille della corteccia (250 nm di diametro). Alcune di queste fibrille sono sporgenti a causa della deformazione. Si ipotizza che servano a rinforzare i peli del cinghiale.
Immagine n. 5: morfologia dei peli di elefante (E — C) e di giraffa (D — F). E — cuticola; In — rottura a gradino del pelo; C — le cavità all'interno del pelo indicano dove sono state strappate le fibre. D — placche cuticolari; E — rottura uniforme del pelo; F — fibre strappate dalla superficie nella zona di rottura.
I peli degli elefanti possono avere uno spessore di circa 330 µm e nei soggetti adulti possono raggiungere 1,5 mm. Le lamelle sulla superficie sono difficili da distinguere (5A). I peli degli elefanti tendono anche a rompersi normalmente, cioè a fratturarsi in modo netto quando sottoposti a trazione. Inoltre, la morfologia della superficie di rottura mostra un aspetto a gradini (5B), possibilmente dovuto alla presenza di lievi difetti nella corteccia del pelo. Sulla superficie della frattura si possono anche vedere alcuni piccoli fori, dove prima del danneggiamento probabilmente si trovavano fibrille di rinforzo (5C).
Anche i peli della giraffa sono abbastanza spessi (370 µm), sebbene la disposizione delle lamelle del cuticola non sia così definita (5D). Si ritiene che ciò sia legato al loro danneggiamento da vari fattori ambientali (come il contatto con gli alberi durante l'alimentazione). Nonostante le differenze, la frattura del pelo nella giraffa è simile a quella dell'elefante (5F).
Immagine n. 6: morfologia del pelo della capibara (E — struttura doppia delle lamelle cuticolari; In — rottura della struttura doppia; C — le fibre vicino al bordo della rottura appaiono fragili e rigide; D — fibre allungate nella zona di rottura della struttura doppia).
I peli della capibara e del pecari si distinguono da tutti gli altri peli analizzati. La capibara presenta come caratteristica principale una configurazione a doppio strato della cuticola e una forma ovale del pelo (6A). La scanalatura tra le due parti speculari del pelo è necessaria per una più rapida rimozione dell'acqua dal pelo dell'animale, oltre che per una migliore ventilazione, che consente di asciugarsi più velocemente. Sotto tensione, il pelo si divide in due parti lungo la scanalatura, e ciascuna di queste si rompe (6B). Molte fibre del corticale si sfaldano e si allungano (6С e 6D).
Immagine №7: morfologia del pelo del pecari (E — struttura della cuticola e punto di rottura; In — morfologia della rottura del corticale e dettagli della sua struttura; C — cellule chiuse (20 µm di diametro), le cui pareti sono costituite da fibre; D — pareti delle cellule).
Nei pecari (famiglia Tayassuidae, cioè i pecarini) i peli presentano un corticale poroso, mentre lo strato di cuticola non ha lamelle definite (7А). Il corticale del pelo contiene cellule chiuse di dimensione 10-30 µm (7В), le cui pareti sono composte da fibre di cheratina (7С). 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 7А, senza il supporto della corteccia fibrosa, la cuticola si screpola lungo la linea di rottura, e le fibre in alcune aree si allungano. Questa particolare struttura del pelo è necessaria per rendere i peli più verticali, aumentando visivamente la dimensione dell'animale, il che potrebbe essere un meccanismo di difesa del cinghiale. I peli del cinghiale resistono abbastanza bene alla compressione, ma non gestiscono bene l'allungamento.
Dopo aver analizzato le caratteristiche strutturali dei peli di diversi animali e i loro tipi di danni causati dalla trazione, i ricercatori 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 evince dal grafico sopra, la reazione all'allungamento dei peli di diverse specie animale è stata piuttosto variabile. Infatti, i peli umani, del cavallo, del cinghiale e dell'orso hanno mostrato una reazione simile a quella della lana (non quella specifica di un animale, ma in generale come materiale tessile).
Con un modulo di elasticità relativamente alto, pari a 3.5–5 GPa, le curve consistono in una regione lineare (elastica), seguita da un plateau con un aumento lento della tensione fino a una deformazione di 0.20–0.25, dopo di che la velocità di rinforzo aumenta significativamente fino alla deformazione di rottura a 0.40. L'area del plateau è correlata allo srotolamento Più di 40.000 clienti in oltre 120 paesidella struttura a spirale dei filamenti intermedi di cheratina, che in alcuni casi possono (parzialmente) trasformarsi in bfogli (strutture piatte). Il completo srotolamento, infatti, porta a una deformazione di 1.31, che è significativamente superiore rispetto alla 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 materiale amorfo di 2 nm. Questi valori specifici sono stati derivati in studi precedenti.
Nella fase di deformazione, caratterizzata dall'indurimento, si verifica scorrimento tra le fibre corticali e 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 all'indurimento relativamente lineare, senza una chiara distinzione tra plateau e aree di rapido indurimento (picchi). Il modulo di elasticità è relativamente basso, pari a circa 2 GPa.
A differenza delle altre specie, i peli della capibara mostrano una reazione caratterizzata da un rapido indurimento, soggetta a sollecitazioni successive. Questa osservazione è legata alla struttura insolita del pelo della capibara, in particolare alla presenza di due parti simmetriche e di un solco longitudinale tra di esse.
Precedenti studi hanno già dimostrato che il modulo di Young (modulo di elasticità longitudinale) diminuisce all'aumentare del diametro del pelo tra diverse specie animali. In questi lavori è stato osservato che il modulo di Young nel pecari è significativamente inferiore rispetto ad altri animali, il che potrebbe essere associato alla porosità della struttura del suo pelo.
È interessante notare che i peli di un fornaio possono presentare sia aree nere che bianche (bicolore). Le rotture durante l'allungamento avvengono più frequentemente proprio nella zona bianca del pelo. L'aumentata resistenza dell'area nera si spiega con la presenza di melanociti, che si trovano esclusivamente nei peli neri.
Tutte queste osservazioni sono davvero uniche, ma rimane la domanda principale: le dimensioni del pelo influiscono sulla sua resistenza?
Descrivendo i peli dei mammiferi, si possono evidenziare alcuni fatti principali noti agli studiosi:
- la maggior parte delle specie ha peli più spessi nella parte centrale e che 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 la maggior parte dei peli varia entro l'intervallo di spessore generale per quella specie animale. Lo spessore dei peli può differire tra i diversi esemplari di una stessa specie, ma al momento non si sa cosa influisca su queste differenze;
- diverse specie di mammiferi presentano spessori di pelo differenti (per quanto possa sembrare banale).
Riassumendo questi fatti pubblici e i dati ottenuti attraverso esperimenti, gli scienziati sono riusciti a confrontare tutti i risultati per formare dipendenze tra lo spessore dei capelli e la loro resistenza.
Immagine n. 9: relazione tra lo spessore dei capelli e la loro resistenza in diverse specie animali.
A causa delle differenze nel diametro e nell'elasticità dei capelli, gli scienziati hanno deciso di indagare se sia possibile prevedere le loro sollecitazioni di rottura sulla base della statistica di Weibull, che può specificamente considerare le differenze nelle dimensioni del campione e nella dimensione risultante del difetto.
Si presume che il segmento di capello con volume V sia composto da n elementi di volume, dove ciascun volume unitario V0 ha una distribuzione dei difetti simile. Utilizzando l'ipotesi del collo di bottiglia, per un dato livello di tensione σ la probabilità P di mantenere l'integrità di questo segmento di capello con volume V può essere espressa come il prodotto delle probabilità aggiuntive di conservazione dell'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. Con l'aumento della tensione P(V) diminuisce naturalmente.
Utilizzando la distribuzione di Weibull a due parametri, 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. Vale la pena notare 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 i capibara. Le curve per altre specie sono state previste utilizzando la formula n° 2 con lo stesso valore di m di quello per i capelli umani (m = 0.11).
Per il diametro medio sono stati utilizzati: cinghiale — 235 μm, cavallo — 200 μm, pecora — 300 μm, orso — 70 μm, pelo di elefante — 345 μm e giraffa — 370 μm.
Considerando che la tensione di rottura può essere definita a P(V) = 0.5, questi risultati mostrano che la tensione di rottura diminuisce con l'aumentare del diametro del capello in diverse specie.
Nel grafico 9B sono mostrati i valori di tensione di rottura previsti con una probabilità del 50% di rottura (P(V) = 0.5) e la tensione di rottura media sperimentale per diversi tipi.
Diventa chiaro che, aumentando il diametro dei capelli da 100 a 350 mm, la loro tensione di rottura diminuisce da 200-250 MPa a 125-150 MPa. I risultati della modellazione della distribuzione di Weibull sono perfettamente in accordo con i risultati delle osservazioni effettive. L'unica eccezione è rappresentata dai capelli dei panettieri, poiché sono estremamente porosi. La resistenza reale dei capelli dei panettieri è inferiore a quanto mostrato dalla modellazione della distribuzione di Weibull.
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad esso.
Epilogo
La principale conclusione delle osservazioni sopra descritte è che capelli spessi non equivalgono a una maggiore resistenza. In effetti, come affermano gli scienziati stessi, questa affermazione non rappresenta una scoperta millenaria, poiché osservazioni simili sono state fatte anche nello studio dei fili metallici. Non si tratta neppure di fisica, meccanica o biologia, ma di statistica: quanto più grande è l'oggetto, tanto maggiore è lo spazio per i difetti.
Gli scienziati credono che il lavoro esaminato oggi aiuterà i loro colleghi a creare nuovi materiali sintetici. Il problema principale è che, nonostante la sofisticazione delle tecnologie moderne, non riescono ancora a realizzare qualcosa di simile ai peli umani o a quelli degli elefanti. Creare qualcosa di così piccolo è già una sfida, per non parlare della sua complessa struttura.
Come vediamo, questa ricerca ha dimostrato che non è solo la seta dei ragni a meritare l'attenzione degli scienziati come fonte d'ispirazione per materiali futuristici super resistenti e leggeri, ma anche i capelli umani possono sorprendere per le loro proprietà meccaniche e la straordinaria resistenza.
Grazie per l'attenzione, continuate a essere curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi. 🙂
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Fonte: habr.com
