Hår for en moderne person er ikke noe mer enn et element av visuell selvidentifikasjon, en del av bildet og bildet. Til tross for dette har disse kåte formasjonene av huden flere viktige biologiske funksjoner: beskyttelse, termoregulering, berøring, etc. Hvor sterkt er håret vårt? Som det viste seg, er de mange ganger sterkere enn elefant- eller sjiraffhår.
I dag skal vi bli kjent med en studie der forskere fra University of California (USA) bestemte seg for å teste hvordan hårtykkelse og dets styrke korrelerer hos forskjellige dyrearter, inkludert mennesker. Hvem sitt hår er sterkest, hvilke mekaniske egenskaper har ulike hårtyper, og hvordan kan denne forskningen bidra til å utvikle nye typer materialer? Vi lærer om dette fra rapporten fra forskere. Gå.
Grunnlaget for studien
Hår, som hovedsakelig består av proteinet keratin, er den kåte dannelsen av pattedyrhud. Faktisk er hår, ull og pels synonyme. Strukturen til håret består av keratinplater som overlapper hverandre, som dominobrikker som faller oppå hverandre. Hvert hår har tre lag: neglebåndet er det ytre og beskyttende laget; cortex - cortex, bestående av langstrakte døde celler (viktig for hårets styrke og elastisitet, bestemmer fargen på grunn av melanin) og medulla - det sentrale laget av håret, bestående av myke keratinceller og lufthuler, som er involvert i overføring av næringsstoffer til andre lag.
Hvis håret er delt vertikalt, får vi en subkutan seksjon (skaft) og en subkutan seksjon (bulb eller rot). Pæren er omgitt av en follikkel, hvis form bestemmer formen på selve håret: en rund follikkel er rett, en oval follikkel er litt krøllete, en nyreformet follikkel er krøllete.
Mange forskere antyder at menneskets evolusjon er i endring på grunn av teknologiske fremskritt. Det vil si at noen organer og strukturer i kroppen vår gradvis blir rudimentære - de som har mistet sin tiltenkte hensikt. Disse kroppsdelene inkluderer visdomstenner, blindtarm og kroppshår. Med andre ord tror forskere at over tid vil disse strukturene ganske enkelt forsvinne fra vår anatomi. Om dette er sant eller ikke er vanskelig å si, men for mange vanlige mennesker er for eksempel visdomstenner forbundet med å besøke tannlegen for deres uunngåelige fjerning.
Uansett, en person trenger hår; det spiller kanskje ikke lenger en viktig rolle i termoregulering, men det er fortsatt en integrert del av estetikken. Det samme kan sies om verdenskultur. I mange land, fra uminnelige tider, ble hår ansett som kilden til all styrke, og å kutte det var assosiert med mulige helseproblemer og til og med feil i livet. Den hellige betydningen av hår migrerte fra de sjamaniske ritualene til gamle stammer til mer moderne religioner, verkene til forfattere, kunstnere og skulptører. Spesielt var kvinnelig skjønnhet ofte nært knyttet til hvordan håret til vakre damer så ut eller ble avbildet (for eksempel i malerier).
Legg merke til hvor detaljert håret til Venus er avbildet (Sandro Botticelli, "Birth of Venus", 1485).
La oss legge bort det kulturelle og estetiske aspektet av hår og begynne å vurdere forskningen til forskere.
Hår, i en eller annen form, er til stede i mange arter av pattedyr. Hvis de for mennesker ikke lenger er så viktige fra et biologisk synspunkt, er ull og pels viktige egenskaper for andre representanter for dyreverdenen. Samtidig, når det gjelder grunnstrukturen, er menneskehår og for eksempel elefanthår veldig like, selv om det er forskjeller. Den mest åpenbare av dem er dimensjonene, fordi elefanthår er mye tykkere enn vårt, men, som det viste seg, ikke sterkere.
Forskere har studert hår og ull ganske lenge. Resultatene av disse arbeidene ble implementert både i kosmetikk og medisin, og i lett industri (eller, som den velkjente Kalugina L.P. ville si: "lett industri"), eller mer presist i tekstiler. I tillegg har studiet av hår i stor grad hjulpet i utviklingen av biomaterialer basert på keratin, som de i begynnelsen av forrige århundre lærte å isolere fra dyrehorn ved hjelp av kalk.
Keratinen som ble oppnådd på denne måten ble brukt til å lage geler som kunne styrkes ved å tilsette formaldehyd. Senere lærte de å isolere keratin ikke bare fra dyrehorn, men også fra pelsen deres, så vel som fra menneskehår. Stoffer basert på keratin har funnet sin bruk i kosmetikk, kompositter og til og med i tablettbelegg.
I dag er industrien for å studere og produsere holdbare og lette materialer i rask utvikling. Hår er naturlig nok et av de naturlige materialene som inspirerer til denne typen forskning. Vurder strekkstyrken til ull og menneskehår, som varierer fra 200 til 260 MPa, som tilsvarer en spesifikk styrke på 150-200 MPa/mg m-3. Og dette er nesten sammenlignbart med stål (250 MPa / mg m-3).
Hovedrollen i dannelsen av de mekaniske egenskapene til håret spilles av dens hierarkiske struktur, som minner om en matryoshka dukke. Det viktigste elementet i denne strukturen er den indre cortex av kortikale celler (diameter ca. 5 μm og lengde 100 μm), bestående av grupperte makrofibriller (diameter ca. 0.2-0.4 μm), som igjen består av mellomliggende filamenter (7.5 nm). i diameter), innebygd i en amorf matrise.
De mekaniske egenskapene til håret, dets følsomhet for temperatur, fuktighet og deformasjon er et direkte resultat av samspillet mellom de amorfe og krystallinske komponentene i cortex. Keratinfibrene i menneskehårbarken har typisk høy forlengelse, med en strekkbelastning på mer enn 40 %.
En så høy verdi skyldes avviklingen av strukturen а-keratin og, i noen tilfeller, dets transformasjon til b-keratin, som fører til en økning i lengden (en hel omdreining av en 0.52 nm helix strekkes til 1.2 nm i konfigurasjonen b). Dette er en av hovedgrunnene til at mange studier har fokusert spesifikt på keratin for å gjenskape det i syntetisk form. Men det ytre laget av hår (kutikula), som vi allerede vet, består av plater (0.3–0.5 mikron tykke og 40–60 mikron lange).
Tidligere har forskere allerede forsket på de mekaniske egenskapene til hår til mennesker fra forskjellige aldre og etniske grupper. I dette arbeidet ble det lagt vekt på å studere forskjellene i de mekaniske egenskapene til hår til forskjellige dyrearter, nemlig: mennesker, hester, bjørner, villsvin, capybaraer, pekarier, sjiraffer og elefanter.
Forskningsresultater
Bilde #1: Menneskehårmorfologi (А - neglebånd; В - cortex fraktur; viser endene av fibrene, С — overflaten av feilen, der tre lag er synlige; D - lateral overflate av cortex, som viser fiberforlengelse).
Et voksent menneskehår er omtrent 80-100 mikron i diameter. Med normal hårpleie er utseendet ganske helhetlig (1А). Den indre komponenten i menneskehår er den fibrøse cortex. Etter strekktesting ble det funnet at neglebåndet og cortex av menneskehår brøt annerledes: neglebåndet brøt vanligvis abrasivt (krøller), og keratinfibrene i cortex ble skrellet av og trukket ut av den generelle strukturen (1V).
I bildet 1S den skjøre overflaten av neglebåndet er godt synlig med visualisering av lagene, som er overlappende neglebåndsplater og har en tykkelse på 350–400 nm. Den observerte delamineringen ved bruddoverflaten, samt den sprø naturen til denne overflaten, indikerer svak grensesnittkommunikasjon mellom kutikula og cortex, og mellom fibre i cortex.
Keratinfibre i cortex ble eksfoliert (1D). Dette antyder at den fibrøse cortex er primært ansvarlig for den mekaniske styrken til håret.
Bilde nr. 2: Morfologi av hestehår (А - kutikula, hvorav noen plater er litt avviket på grunn av mangel på omsorg; В - utseendet til bruddet; С — detaljer om ruptur av cortex, der den revne neglebåndet er synlig; D - neglebåndsdetaljer).
Strukturen til hestehår ligner på menneskehår, bortsett fra diameteren, som er 50 % større (150 mikron). I bildet 2А Du kan se tydelige skader på skjellaget, der mange av platene ikke er så nært forbundet med skaftet som de var i menneskehår. Stedet for et hestehårbrudd inneholder både et normalt brudd og et hårbrudd (delaminering av neglebåndsplatene). På 2V Begge typer skader er synlige. I områder hvor lamellene har blitt revet fullstendig av, er grensesnittet mellom skjellaget og cortex synlig (2S). Flere fibre ble revet og delaminerte ved grensesnittet. Sammenligner man disse observasjonene med tidligere observasjoner (menneskehår), tyder slike feil på at hestehår ikke opplevde like mye stress som menneskehår når fibrene i cortex ble trukket ut og helt løsnet fra skjellaget. Det kan også ses at noen plater har løsnet fra stangen, noe som kan skyldes strekkspenning (2D).
Bilde #3: Bjørnehårmorfologi (А - neglebånd; В — skade på to punkter knyttet til bruddområdet; С - sprekkdannelse i skjellaget med delaminering av fibre i cortex; D - detaljer om fiberstrukturen, flere langstrakte fibre fra den generelle strukturen er synlige).
Tykkelsen på et bjørnehår er 80 mikron. Skjelagplatene er ekstremt tett festet til hverandre (3А), og i noen områder er det til og med vanskelig å skille individuelle plater. Dette kan skyldes friksjonen av håret mot naboene. Under strekkspenning deler disse hårene seg bokstavelig talt med utseendet til lange sprekker (innsatt på 3B), som indikerer at med den svake bindingseffekten til den skadede neglebåndet, ble keratinfibrene i cortex lett delaminert. Delamineringen av cortex forårsaker et brudd i skjellaget, som bevist av sikksakkmønsteret til bruddet (3S). Denne spenningen fører til at noen fibre trekkes ut av cortex (3D).
Bilde nr. 4: morfologi av villsvinhår (А - vanlig flatt hårlinjebrudd; В — strukturen til neglebåndet viser en dårlig tilstand av integritet (gruppering) av platene; С — detaljer om gapet i grensesnittet mellom skjellaget og cortex; D - fibre forlenget fra den totale massen og utstående fibriller).
Villehår er ganske tykt (230 mm), spesielt sammenlignet med bjørnehår. Rivning av villsvinhår når det er skadet ser ganske tydelig ut (4А) vinkelrett på strekkspenningsretningen.
Relativt små eksponerte neglebåndsplater ble revet fra hoveddelen av håret på grunn av strekking av kantene (4V).
På overflaten av ødeleggelsessonen er delaminering av fibre tydelig synlig; det er også tydelig at de var veldig tett forbundet med hverandre inne i cortex (4S). Bare fibre i grensesnittet mellom cortex og cuticle ble eksponert på grunn av separasjon (4D), som avslørte tilstedeværelsen av tykke kortikale fibriller (250 nm i diameter). Noen av fibrillene stakk litt ut på grunn av deformasjon. De skal tjene som et styrkende middel for villsvinens hår.
Bilde #5: Morfologi for elefanthår (А - С) og sjiraff (D - F). А - neglebånd; В - trinnvis hårbrudd; С - hulrom inne i håret indikerer hvor fibrene ble revet ut. D - kutikulære plater; Е - jevnt hårbrudd; F - fibre revet fra overflaten i bruddområdet.
Håret til en babyelefant kan være omtrent 330 mikron tykt, og hos en voksen kan det nå 1.5 mm. Platene på overflaten er vanskelige å skille (5А).Elefanthår er også utsatt for normal nedbrytning, dvs. til rent strekkbrudd. Dessuten viser morfologien til bruddoverflaten et trinnvis utseende (5V), muligens på grunn av tilstedeværelsen av mindre defekter i hårbarken. Noen små hull kan også sees på bruddoverflaten, hvor forsterkende fibriller sannsynligvis var lokalisert før skaden (5S).
Sjiraffens hår er også ganske tykt (370 mikron), selv om arrangementet av neglebåndsplatene ikke er så tydelig (5D). Det antas at dette skyldes deres skade av ulike miljøfaktorer (for eksempel friksjon mot trær under fôring). Til tross for forskjellene, var sjiraffens hårbrudd likt det til elefanten (5F).
Bilde nr. 6: kapybarahårmorfologi (А - dobbel kutikulær struktur av platene; В — brudd på den doble strukturen; С — fibre nær bruddgrensen virker sprø og stive; D - langstrakte fibre fra bruddsonen av den doble strukturen).
Håret til capybaras og peccaries er forskjellig fra alle andre hår som er studert. I kapybaraen er hovedforskjellen tilstedeværelsen av en dobbel kutikulakonfigurasjon og en oval hårform (6А). Sporet mellom de to speilvendte delene av håret er nødvendig for å fjerne vann fra dyrets pels raskere, samt for bedre ventilasjon, som gjør at det tørker raskere. Når det utsettes for strekking, deles håret i to deler langs sporet, og hver del blir ødelagt (6V). Mange fibre i cortex er separert og strukket (6S и 6D).
Bilde #7: Peccary-hårmorfologi (А - struktur av kutikula og sted for brudd; В — morfologi av cortex-ødeleggelse og detaljer om strukturen; С — lukkede celler (20 mikrometer i diameter), hvis vegger består av fibre; D - cellevegger).
Pekkariene (familien Tayassuidae, dvs. peccary) hår har en porøs cortex, og kutikulalaget har ikke distinkte plater (7А). Hårbarken inneholder lukkede celler som måler 10-30 mikron (7V), hvis vegger består av keratinfibre (7S). Disse veggene er ganske porøse, og størrelsen på en pore er omtrent 0.5-3 mikron (7D).
Som du kan se på bildet 7А, uten støtte fra den fibrøse cortex, sprekker neglebåndet langs bruddlinjen, og fibrene trekkes ut noen steder. Denne hårstrukturen er nødvendig for å gjøre håret mer vertikalt, visuelt øke størrelsen på dyret, noe som kan være en forsvarsmekanisme for peccaryen. Peccary-hår motstår kompresjon ganske godt, men takler ikke strekk.
Etter å ha forstått de strukturelle egenskapene til håret til forskjellige dyr, så vel som deres typer skader på grunn av spenning, begynte forskere å beskrive de mekaniske egenskapene.
Bilde nr. 8: deformasjonsdiagram for hver hårtype og diagram over forsøksoppsettet for innhenting av data (strain rate 10-2 s-1).
Som man kan se av grafen over, var responsen på strekking i håret til forskjellige dyrearter ganske forskjellig. Dermed viste håret til en person, en hest, en villsvin og en bjørn en reaksjon som ligner på reaksjonen til ull (ikke noen andres, men et tekstilmateriale).
Ved en relativt høy elastisitetsmodul på 3.5–5 GPa består kurvene av et lineært (elastisk) område, etterfulgt av et platå med sakte økende spenning opp til en tøyning på 0.20–0.25, hvoretter herdehastigheten øker betydelig inntil en feilbelastning på 0.40. Platåområdet refererer til å slappe av а-spiralformet struktur av keratin-mellomfilamenter, som i noen tilfeller (delvis) kan forvandles til b-ark (flate strukturer). Fullstendig avvikling fører til en deformasjon på 1.31, som er betydelig høyere enn ved slutten av dette stadiet (0.20–0.25).
Den krystallinske trådlignende delen av strukturen er omgitt av en amorf matrise som ikke transformeres. Den amorfe delen utgjør ca. 55 % av det totale volumet, men bare hvis diameteren på de mellomliggende filamentene er 7 nm og at de er atskilt med 2 nm amorft materiale. Slike presise indikatorer er utledet i tidligere studier.
Under herdestadiet av deformasjon skjer glidning mellom kortikale fibre så vel som mellom mindre strukturelle elementer som mikrofibriller, mellomfilamenter og den amorfe matrisen.
Sjiraff-, elefant- og peccaryhår viser en relativt lineær herdingsrespons uten noe klart skille mellom platåer og områder med hurtig herding (topper). Elastisitetsmodulen er relativt lav og er ca. 2 GPa.
I motsetning til andre arter, viser kapybarahår en respons preget av rask herding når påfølgende påkjenninger påføres. Denne observasjonen er assosiert med den uvanlige strukturen til kapybaraens hår, eller mer presist med tilstedeværelsen av to symmetriske deler og et langsgående spor mellom dem.
Det er allerede utført tidligere studier som indikerer at Youngs modul (lengs elastisk modul) avtar med økende hårdiameter hos forskjellige dyrearter. Disse arbeidene bemerket at peccaryens Youngs modul er betydelig lavere enn hos andre dyr, noe som kan skyldes porøsiteten til hårstrukturen.
Det er også merkelig at peccaries har både svarte og hvite områder på håret (tofarget). Strekkbrudd forekommer oftest i det hvite området av håret. Den økte motstanden til det svarte området skyldes tilstedeværelsen av melanosomer, som utelukkende finnes i svart hår.
Alle disse observasjonene er virkelig unike, men hovedspørsmålet gjenstår: spiller dimensjonene til håret en rolle i dets styrke?
Hvis vi beskriver hår hos pattedyr, kan vi fremheve hovedfakta som er kjent for forskere:
- i de fleste hårtyper er det tykkere i den sentrale delen og smalner mot slutten; Pelsen til ville dyr er tykkere på grunn av deres habitat;
- Variasjoner i diameteren på hårene til én art indikerer at tykkelsen på de fleste hårene varierer innenfor det generelle tykkelsesområdet for en gitt dyreart. Tykkelsen på hårene kan variere mellom ulike representanter for samme art, men hva som påvirker denne forskjellen er fortsatt ukjent;
- Ulike arter av pattedyr har forskjellige hårtykkelser (så klisjé som det kan høres ut).
Ved å oppsummere disse offentlig tilgjengelige fakta og dataene som ble oppnådd under eksperimentene, var forskerne i stand til å sammenligne alle resultatene for å danne forhold mellom hårtykkelse og dets styrke.
Bilde nr. 9: forholdet mellom hårtykkelse og dets styrke hos forskjellige dyrearter.
På grunn av forskjellene i hårdiameter og strekkbarhet, bestemte forskerne seg for å se om strekkspenningene deres kunne forutsies basert på Weibull-statistikk, som spesifikt kan redegjøre for forskjeller i prøvestørrelse og resulterende defektstørrelse.
Det antas at et hårsegment med volum V Состоит из n volumelementer og hver enhetsvolum V0 har en lignende fordeling av defekter. Ved å bruke antakelsen om det svakeste leddet, ved et gitt spenningsnivå σ sannsynlighet P opprettholde integriteten til et gitt hårsegment med volum V kan uttrykkes som produktet av ytterligere sannsynligheter for å opprettholde integriteten til hvert av volumelementene, nemlig:
P(V) = P(V0🇧🇷 P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
hvor er volumet V inneholder n volumelementer V0. Ettersom spenningen øker P(V) minker naturlig.
Ved å bruke en to-parameter Weibull-fordeling kan sannsynligheten for feil i hele volumet uttrykkes som:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
der σ - påført spenning, σ0 er den karakteristiske (referanse) styrken, og m — Weibull-modul, som er et mål på egenskapsvariabilitet. Det er verdt å merke seg at sannsynligheten for ødeleggelse øker med økende utvalgsstørrelse V ved konstant spenning σ.
På diagrammet 9А Weibull-fordelingen av eksperimentelle sviktbelastninger for menneske- og kapybarahår er vist. Kurver for andre arter ble spådd ved bruk av formel #2 med samme verdi av m som for menneskehår (m = 0.11).
De gjennomsnittlige diametrene som ble brukt var: villsvin - 235 µm, hest - 200 µm, peccary - 300 µm, bjørn - 70 µm, elefanthår - 345 µm og sjiraff - 370 µm.
Basert på at bruddspenningen kan bestemmes kl P(V) = 0.5, disse resultatene indikerer at sviktstresset avtar med økende hårdiameter på tvers av arter.
På diagrammet 9V viser predikerte bruddspenninger med 50 % sannsynlighet for feil (P(V) = 0.5) og gjennomsnittlig eksperimentell bruddspenning for forskjellige arter.
Det blir klart at når hårets diameter øker fra 100 til 350 mm, reduseres bruddspenningen fra 200–250 MPa til 125–150 MPa. Weibull-distribusjonssimuleringsresultatene er i utmerket overensstemmelse med de faktiske observasjonsresultatene. Det eneste unntaket er peccary-hår siden det er ekstremt porøst. Den faktiske styrken til peccary-hår er lavere enn den som vises av Weibull-distribusjonsmodellering.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
Hovedkonklusjonen av observasjonene ovenfor er at tykt hår ikke tilsvarer sterkt hår. Det er sant, som forskerne selv sier, denne uttalelsen er ikke en oppdagelse av årtusenet, siden lignende observasjoner ble gjort når de studerte metalltråd. Poenget her er ikke engang i fysikk, mekanikk eller biologi, men i statistikk - jo større objektet er, desto større er muligheten for defekter.
Forskere tror at arbeidet vi gjennomgikk i dag vil hjelpe kollegene deres med å lage nye syntetiske materialer. Hovedproblemet er at til tross for utviklingen av moderne teknologier, er de ennå ikke i stand til å lage noe som menneske- eller elefanthår. Tross alt er det allerede en utfordring å lage noe så lite, for ikke å snakke om den komplekse strukturen.
Som vi kan se, har denne studien vist at ikke bare edderkoppsilke er verdig oppmerksomhet fra forskere som en inspirasjon for fremtidige ultrasterke og ultralette materialer, men også menneskehår kan overraske med sine mekaniske egenskaper og fantastiske styrke.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens. 🙂
Noen annonser 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, , en unik analog av entry-level servere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x billigere i Equinix Tier IV datasenter i Amsterdam? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com