I capelli per una persona moderna non sono altro che un elemento di autoidentificazione visiva, parte dell'immagine e dell'immagine. Nonostante ciò, queste formazioni cornee della pelle svolgono diverse importanti funzioni biologiche: protezione, termoregolazione, tatto, ecc. Quanto sono forti i nostri capelli? Come si è scoperto, sono molte volte più forti dei peli di elefante o giraffa.
Oggi conosceremo uno studio in cui gli scienziati dell'Università della California (USA) hanno deciso di testare come lo spessore dei capelli e la loro forza siano correlati in diverse specie animali, compreso l'uomo. Di chi sono i capelli più forti, quali proprietà meccaniche hanno i diversi tipi di capelli e in che modo questa ricerca può aiutare a sviluppare nuovi tipi di materiali? Lo apprendiamo dal rapporto degli scienziati. Andare.
Base di ricerca
I capelli, costituiti in gran parte dalla proteina cheratina, costituiscono la formazione corneo della pelle dei mammiferi. Infatti capelli, lana e pelliccia sono sinonimi. La struttura dei capelli è costituita da placche di cheratina che si sovrappongono l'una all'altra, come tessere del domino che cadono l'una sull'altra. Ogni capello ha tre strati: la cuticola è lo strato esterno e protettivo; corteccia - la corteccia, costituita da cellule morte allungate (importanti per la forza e l'elasticità dei capelli, ne determina il colore grazie alla melanina) e il midollo - lo strato centrale dei capelli, costituito da cellule morbide di cheratina e cavità d'aria, che è coinvolti nel trasferimento dei nutrienti agli altri strati.
Se i capelli vengono divisi verticalmente, otteniamo una sezione sottocutanea (fusto) e una sezione sottocutanea (bulbo o radice). Il bulbo è circondato da un follicolo, la cui forma determina la forma del capello stesso: un follicolo rotondo è dritto, un follicolo ovale è leggermente riccio, un follicolo reniforme è riccio.
Molti scienziati suggeriscono che l’evoluzione umana sta cambiando a causa del progresso tecnologico. Cioè, alcuni organi e strutture del nostro corpo diventano gradualmente rudimentali, quelli che hanno perso lo scopo previsto. Queste parti del corpo includono denti del giudizio, appendice e peli del corpo. In altre parole, gli scienziati ritengono che col tempo queste strutture semplicemente scompariranno dalla nostra anatomia. Se questo sia vero o no è difficile da dire, ma per molte persone comuni i denti del giudizio, ad esempio, sono associati alla visita dal dentista per la loro inevitabile rimozione.
Comunque sia, una persona ha bisogno dei capelli; forse non svolgono più un ruolo vitale nella termoregolazione, ma sono ancora parte integrante dell'estetica. Lo stesso si può dire della cultura mondiale. In molti paesi, da tempo immemorabile, i capelli erano considerati la fonte di ogni forza e tagliarli era associato a possibili problemi di salute e persino a fallimenti nella vita. Il significato sacro dei capelli è migrato dai rituali sciamanici delle antiche tribù alle religioni più moderne, nelle opere di scrittori, artisti e scultori. In particolare, la bellezza femminile era spesso strettamente correlata all'aspetto o alla raffigurazione dei capelli di belle donne (ad esempio, nei dipinti).
Notate quanto sono dettagliati i capelli di Venere (Sandro Botticelli, “La nascita di Venere”, 1485).
Lasciamo da parte l'aspetto culturale ed estetico dei capelli e cominciamo a considerare le ricerche degli scienziati.
I capelli, in una forma o nell'altra, sono presenti in molte specie di mammiferi. Se per l'uomo non sono più così importanti dal punto di vista biologico, allora per altri rappresentanti del mondo animale la lana e la pelliccia sono attributi vitali. Allo stesso tempo, nella loro struttura di base, i capelli umani e, ad esempio, i capelli degli elefanti sono molto simili, anche se ci sono delle differenze. La più ovvia di queste sono le dimensioni, perché il pelo dell'elefante è molto più spesso del nostro, ma, come si è scoperto, non più forte.
Gli scienziati studiano i capelli e la lana da molto tempo. I risultati di questi lavori furono implementati sia in cosmetologia e medicina, sia nell'industria leggera (o, come direbbe il noto Kalugina L.P.: “industria leggera”), o più precisamente nel tessile. Inoltre, lo studio dei capelli ha aiutato molto nello sviluppo di biomateriali a base di cheratina, che all'inizio del secolo scorso si è imparato a isolare dalle corna degli animali utilizzando la calce.
La cheratina così ottenuta veniva utilizzata per creare gel che potevano essere rinforzati con l'aggiunta di formaldeide. Successivamente hanno imparato a isolare la cheratina non solo dalle corna degli animali, ma anche dalla loro pelliccia e dai capelli umani. Sostanze a base di cheratina hanno trovato il loro utilizzo nei cosmetici, nei compositi e persino nei rivestimenti delle compresse.
Al giorno d'oggi, l'industria dello studio e della produzione di materiali durevoli e leggeri si sta rapidamente sviluppando. I capelli, essendo tali naturalmente, sono uno dei materiali naturali che ispira questo tipo di ricerca. Consideriamo la resistenza alla trazione della lana e dei capelli umani, che varia da 200 a 260 MPa, che equivale ad una resistenza specifica di 150-200 MPa/mg m-3. E questo è quasi paragonabile all'acciaio (250 MPa / mg m-3).
Il ruolo principale nella formazione delle proprietà meccaniche dei capelli è giocato dalla loro struttura gerarchica, che ricorda una bambola matrioska. L'elemento più importante di questa struttura è la corteccia interna delle cellule corticali (diametro circa 5 μm e lunghezza 100 μm), costituita da macrofibrille raggruppate (diametro circa 0.2-0.4 μm), che a loro volta sono costituite da filamenti intermedi (7.5 nm di diametro), inglobato 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 delle componenti amorfe e cristalline della corteccia. Le fibre di cheratina della corteccia dei capelli umani hanno tipicamente un elevato allungamento, con una deformazione a trazione superiore al 40%.
Un valore così elevato è dovuto allo svolgimento della struttura а-cheratina e, in alcuni casi, la sua trasformazione in b-cheratina, che porta ad un aumento della lunghezza (un giro completo di un'elica da 0.52 nm viene allungato a 1.2 nm nella configurazione b). Questo è uno dei motivi principali per cui molti studi si sono concentrati specificatamente sulla cheratina per ricrearla in forma sintetica. Ma lo strato esterno del capello (cuticola), come già sappiamo, è costituito da placche (0.3–0.5 micron di spessore e 40–60 micron di lunghezza).
In precedenza, gli scienziati hanno già condotto ricerche sulle proprietà meccaniche dei capelli di persone di diverse età ed etnie. In questo lavoro, l'accento è stato posto sullo studio delle differenze nelle proprietà meccaniche dei capelli di diverse specie animali, vale a dire: esseri umani, cavalli, orsi, cinghiali, capibara, pecari, giraffe ed elefanti.
Risultati dello studio
Immagine n. 1: Morfologia dei capelli umani (А - cuticola; В - frattura della corteccia; mostrando le estremità delle fibre, С — la superficie della faglia, dove sono visibili tre strati; D - superficie laterale della corteccia, che mostra l'allungamento delle fibre).
Un capello umano adulto ha un diametro di circa 80-100 micron. Con la normale cura dei capelli, il loro aspetto è abbastanza olistico (1А). La componente interna dei capelli umani è la corteccia fibrosa. Dopo il test di trazione, si è scoperto che la cuticola e la corteccia dei capelli umani si rompevano in modo diverso: la cuticola tipicamente si rompeva in modo abrasivo (accartocciamento) e le fibre di cheratina nella corteccia venivano staccate ed estratte dalla struttura complessiva (1V).
Nella foto 1S la fragile superficie della cuticola è chiaramente visibile con la visualizzazione degli strati, che si sovrappongono alle placche della cuticola e hanno uno spessore di 350–400 nm. La delaminazione osservata sulla superficie della frattura, così come la natura fragile di questa superficie, indica una debole comunicazione interfacciale tra la cuticola e la corteccia e tra le fibre all'interno della corteccia.
Le fibre di cheratina nella corteccia sono state esfoliate (1D). Ciò suggerisce che la corteccia fibrosa è la principale responsabile della resistenza meccanica dei capelli.
Immagine n. 2: Morfologia del crine (А - cuticola, di cui alcune placche sono leggermente deviate per negligenza; В - comparsa della rottura; С — dettagli della rottura della corteccia, dove è visibile la cuticola lacerata; D - dettagli della cuticola).
La struttura del crine di cavallo è simile a quella del capello umano, fatta eccezione per il diametro, che è maggiore del 50% (150 micron). Nel quadro 2А Puoi vedere un danno evidente alla cuticola, dove molte piastre non sono così strettamente collegate al fusto come lo erano nei capelli umani. La sede della rottura del crine di cavallo contiene sia una rottura normale che una rottura del pelo (delaminazione delle placche della cuticola). SU 2V Entrambi i tipi di danno sono visibili. Nelle aree in cui le lamelle sono state completamente strappate, è visibile l'interfaccia tra cuticola e corteccia (2S). Diverse fibre erano strappate e delaminate all'interfaccia. Confrontando queste osservazioni con osservazioni precedenti (capelli umani), tali fallimenti indicano che i peli di cavallo non hanno subito lo stesso stress dei capelli umani quando le fibre nella corteccia sono state estratte e completamente staccate dalla cuticola. Si può notare inoltre che alcune piastre si sono staccate dall'asta, ciò potrebbe essere dovuto a sollecitazioni di trazione (2D).
Immagine n. 3: Morfologia del pelo dell'orso (А - cuticola; В — danno in due punti associati all'area di rottura; С — rottura della cuticola con delaminazione delle fibre nella corteccia; D - dettagli della struttura della fibra, sono visibili diverse fibre allungate della struttura generale).
Lo spessore del pelo dell'orso è di 80 micron. Le piastre della cuticola sono estremamente strettamente attaccate l'una all'altra (3А), e in alcune zone è addirittura difficile distinguere le singole placche. Ciò potrebbe essere dovuto allo sfregamento dei capelli contro quelli vicini. Sotto sforzo di trazione, questi peli si spaccano letteralmente con la comparsa di lunghe crepe (inserto su 3B), indicando che con il debole effetto legante della cuticola danneggiata, le fibre di cheratina nella corteccia si delaminavano facilmente. La delaminazione della corteccia provoca una rottura della cuticola, come evidenziato dall'andamento a zigzag della rottura (3S). Questa tensione fa sì che alcune fibre vengano estratte dalla corteccia (3D).
Immagine n. 4: morfologia del pelo del cinghiale (А - frattura ordinaria dell'attaccatura dei capelli piatta; В — la struttura della cuticola dimostra uno scarso stato di integrità (raggruppamento) delle placche; С — dettagli dello spazio vuoto all'interfaccia tra cuticola e corteccia; D - fibre allungate dalla massa totale e fibrille sporgenti).
Il pelo del cinghiale è piuttosto spesso (230 mm), soprattutto se paragonato al pelo dell'orso. Lo strappo del pelo di cinghiale quando danneggiato appare abbastanza evidente (4А) perpendicolare alla direzione dello sforzo di trazione.
Le cuticole esposte, relativamente piccole, sono state strappate dal corpo principale del capello a causa dello stiramento dei bordi (4V).
Sulla superficie della zona di distruzione è chiaramente visibile la delaminazione delle fibre; è anche chiaro che erano strettamente collegate tra loro all'interno della corteccia (4S). Solo le fibre all’interfaccia tra corteccia e cuticola erano esposte a causa della separazione (4D), che ha rivelato la presenza di fibrille corticali spesse (250 nm di diametro). Alcune fibrille sporgevano leggermente a causa della deformazione. Dovrebbero servire come agente rinforzante per il pelo del cinghiale.
Immagine n. 5: Morfologia del pelo dell'elefante (А - С) e giraffa (D - F). А - cuticola; В - rottura graduale dei capelli; С - i vuoti all'interno dei capelli indicano dove le fibre sono state strappate. D - placche cuticolari; Е - anche la rottura dei capelli; F - fibre strappate dalla superficie nella zona della frattura.
Il pelo di un elefantino può avere uno spessore di circa 330 micron e in un adulto può raggiungere 1.5 mm. Le placche sulla superficie sono difficili da distinguere (5А).Il pelo dell'elefante è anche soggetto a normale disgregazione, ad es. alla frattura da trazione pura. Inoltre, la morfologia della superficie di frattura mostra un aspetto a gradini (5V), probabilmente a causa della presenza di piccoli difetti nella corteccia del capello. Alcuni piccoli fori sono visibili anche sulla superficie della frattura, dove probabilmente si trovavano fibrille di rinforzo prima del danno (5S).
Anche il pelo della giraffa è piuttosto folto (370 micron), sebbene la disposizione delle placche della cuticola non sia così chiara (5D). Si ritiene che ciò sia dovuto al loro danneggiamento da parte di vari fattori ambientali (ad esempio, l'attrito contro gli alberi durante l'alimentazione). Nonostante le differenze, la rottura del pelo della giraffa era simile a quella dell'elefante (5F).
Immagine n. 6: morfologia dei capelli del capibara (А - doppia struttura cuticolare delle placche; В — rottura della doppia struttura; С — le fibre vicino al limite di rottura appaiono fragili e rigide; D - fibre allungate dalla zona di rottura della doppia struttura).
I peli dei capibara e dei pecari sono diversi da tutti gli altri peli studiati. Nel capibara la differenza principale è la presenza di una configurazione a doppia cuticola e di una forma del pelo ovale (6А). La scanalatura tra le due parti specchiate del pelo è necessaria per rimuovere più velocemente l'acqua dal pelo dell'animale, oltre che per una migliore ventilazione, che gli consente di asciugarsi più velocemente. Quando esposti allo stiramento, i capelli vengono divisi in due parti lungo il solco e ciascuna parte viene distrutta (6V). Molte fibre della corteccia sono separate e allungate (6S и 6D).
Immagine n. 7: Morfologia dei peli di pecari (А - struttura della cuticola e luogo di rottura; В — morfologia della distruzione della corteccia e dettagli della sua struttura; С — cellule chiuse (20 micron di diametro), le cui pareti sono costituite da fibre; D - pareti cellulari).
I pecari (famiglia Tayassuidae, cioè. pecari) i capelli hanno una corteccia porosa e lo strato della cuticola non ha placche distinte (7А). La corteccia del capello contiene cellule chiuse che misurano 10-30 micron (7V), le cui pareti sono costituite da fibre di cheratina (7S). Queste pareti sono piuttosto porose e la dimensione di un poro è di circa 0.5-3 micron (7D).
Come si vede nella foto 7А, senza il supporto della corteccia fibrosa, la cuticola si spezza lungo la linea di rottura e in alcuni punti le fibre vengono strappate. Questa struttura del pelo è necessaria per rendere il pelo più verticale, aumentando visivamente le dimensioni dell'animale, il che può essere un meccanismo di difesa per il pecari. I peli di pecari resistono abbastanza bene alla compressione, ma non sopportano lo stiramento.
Dopo aver compreso le caratteristiche strutturali dei peli di diversi animali, nonché i tipi di danni dovuti alla tensione, gli scienziati hanno iniziato a descriverne le proprietà meccaniche.
Immagine n. 8: diagramma di deformazione per ciascun tipo di capello e diagramma della configurazione sperimentale per ottenere dati (velocità di deformazione 10-2 s-1).
Come si può vedere dal grafico sopra, la risposta allo stiramento dei capelli di diverse specie animali è stata piuttosto diversa. Pertanto, i capelli di una persona, di un cavallo, di un cinghiale e di un orso hanno mostrato una reazione simile alla reazione della lana (non quella di qualcun altro, ma un materiale tessile).
Con un modulo elastico relativamente elevato di 3.5–5 GPa, le curve consistono in una regione lineare (elastica), seguita da un plateau con sollecitazione che aumenta lentamente fino a una deformazione di 0.20–0.25, dopo di che la velocità di indurimento aumenta significativamente fino a deformazione di rottura di 0.40. L'area dell'altopiano si riferisce allo svolgimento а-struttura elicoidale dei filamenti intermedi di cheratina, che in alcuni casi possono (parzialmente) trasformarsi in b-lastre (strutture piane). Lo svolgimento completo porta ad una deformazione di 1.31, che è significativamente più elevata rispetto alla fine di questa fase (0.20–0.25).
La parte cristallina filiforme della struttura è circondata da una matrice amorfa che non si trasforma. La parte amorfa costituisce circa il 55% del volume totale, ma solo se il diametro dei filamenti intermedi è di 7 nm e che sono separati da 2 nm di materiale amorfo. Indicatori così precisi sono stati derivati in studi precedenti.
Durante la fase di indurimento della deformazione, avviene lo 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 risposta di indurimento relativamente lineare senza una chiara distinzione tra altipiani e regioni di rapido indurimento (picchi). Il modulo elastico è relativamente basso ed è di circa 2 GPa.
A differenza di altre specie, i capelli del capibara mostrano una risposta caratterizzata da un rapido indurimento quando vengono applicati stress successivi. Questa osservazione è associata alla struttura insolita dei capelli del capibara, o più precisamente alla presenza di due parti simmetriche e di un solco longitudinale tra di loro.
Sono già stati condotti studi precedenti che indicano che il modulo di Young (modulo elastico longitudinale) diminuisce con l'aumentare del diametro del pelo in diverse specie animali. Questi lavori hanno rilevato che il modulo di Young del pecari è significativamente inferiore a quello di altri animali, il che potrebbe essere dovuto alla porosità della struttura del pelo.
È anche curioso che il pecari abbia zone sia nere che bianche sul pelo (bicolore). Le rotture da trazione si verificano più spesso nella zona bianca dei capelli. La maggiore resistenza della zona nera è dovuta alla presenza dei melanosomi, che si trovano esclusivamente nei capelli neri.
Tutte queste osservazioni sono davvero uniche, ma rimane la domanda principale: le dimensioni del capello hanno un ruolo nella sua forza?
Se descriviamo i capelli nei mammiferi, possiamo evidenziare i fatti principali noti ai ricercatori:
- nella maggior parte dei tipi di capelli è più grosso nella parte centrale e si assottiglia verso la punta; La pelliccia degli animali selvatici è più spessa a causa del loro habitat;
- Le variazioni nel diametro dei peli di una specie indicano che lo spessore della maggior parte dei peli varia entro l'intervallo di spessore generale per una data specie animale. Lo spessore dei peli può differire tra i diversi rappresentanti della stessa specie, ma non si sa ancora cosa influenzi questa differenza;
- Diverse specie di mammiferi hanno diversi spessori di pelo (per quanto cliché possa sembrare).
Riassumendo questi fatti pubblicamente disponibili e i dati ottenuti durante gli esperimenti, gli scienziati sono stati in grado di confrontare tutti i risultati per creare una relazione tra lo spessore dei capelli e la loro forza.
Immagine n. 9: la relazione tra lo spessore del pelo e la sua forza in diverse specie animali.
A causa delle differenze nel diametro e nell’estensibilità dei capelli, gli scienziati hanno deciso di vedere se le loro sollecitazioni di trazione potevano essere previste sulla base delle statistiche di Weibull, che possono tenere conto in modo specifico delle differenze nella dimensione del campione e nella dimensione del difetto risultante.
Si presume che un segmento di capelli abbia volume V состоит из n elementi di volume e ciascuna unità di volume V0 ha una distribuzione simile dei difetti. Utilizzando l'ipotesi del collegamento più debole, a un dato livello di tensione σ probabilità P mantenendo l'integrità di un dato segmento di capelli con volume V può essere espresso come il prodotto di probabilità aggiuntive di mantenere l'integrità di ciascuno degli elementi del volume, vale a dire:
P(V) = P(V0🇧🇷 P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
dov'è il volume V contiene n elementi del volume V0. All'aumentare della tensione P(V) diminuisce naturalmente.
Utilizzando una distribuzione Weibull a due parametri, la probabilità di guasto dell’intero volume può essere espressa come:
1 - P = 1 - esp [ -V/V0 · (σ/0)M]
dove σ — tensione applicata, σ0 è la resistenza caratteristica (di riferimento) e m — Modulo di Weibull, che è una misura della variabilità della proprietà. Vale la pena notare che la probabilità di distruzione aumenta con l’aumentare della dimensione del campione V a tensione costante σ.
Sul grafico 9А Viene mostrata la distribuzione Weibull delle sollecitazioni di cedimento sperimentali per capelli umani e capibara. Le curve per altre specie sono state previste utilizzando la formula n. 2 con lo stesso valore di m dei capelli umani (m = 0.11).
I diametri medi utilizzati erano: cinghiale - 235 µm, cavallo - 200 µm, pecari - 300 µm, orso - 70 µm, pelo di elefante - 345 µm e giraffa - 370 µm.
In base al fatto che lo sforzo di rottura può essere determinato a P(V) = 0.5, questi risultati indicano che lo stress da cedimento diminuisce con l'aumentare del diametro dei capelli tra le specie.
Sul grafico 9V mostra le sollecitazioni di rottura previste con una probabilità di fallimento del 50% (P(V) = 0.5) e lo sforzo di rottura medio sperimentale per diverse specie.
Diventa chiaro che man mano che il diametro del capello aumenta da 100 a 350 mm, il suo sforzo di rottura diminuisce da 200–250 MPa a 125–150 MPa. I risultati della simulazione della distribuzione di Weibull sono in ottimo accordo con i risultati dell’osservazione reale. L'unica eccezione sono i peli di pecari poiché sono estremamente porosi. La forza effettiva dei peli del pecari è inferiore a quella mostrata dal modello di distribuzione Weibull.
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare и a lui.
Finale
La conclusione principale delle osservazioni di cui sopra è che i capelli folti non equivalgono a capelli forti. È vero, come dicono gli stessi scienziati, questa affermazione non è una scoperta del millennio, poiché osservazioni simili sono state fatte durante lo studio del filo metallico. Il punto qui non è nemmeno nella fisica, nella meccanica o nella biologia, ma nella statistica: più grande è l'oggetto, maggiore è la possibilità di difetti.
Gli scienziati ritengono che il lavoro che abbiamo esaminato oggi aiuterà i loro colleghi a creare nuovi materiali sintetici. Il problema principale è che, nonostante lo sviluppo delle moderne tecnologie, queste non sono ancora in grado di creare qualcosa di simile ai capelli umani o di elefante. Dopotutto, creare qualcosa di così piccolo è già una sfida, per non parlare della sua struttura complessa.
Come possiamo vedere, questo studio ha dimostrato che non solo la seta di ragno è degna dell'attenzione degli scienziati come fonte d'ispirazione per futuri materiali ultra resistenti e ultraleggeri, ma anche i capelli umani possono sorprendere con le sue proprietà meccaniche e la straordinaria forza.
Grazie per aver letto, restate curiosi e buona settimana ragazzi. 🙂
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Fonte: habr.com