O cabelo para o homem moderno não é mais do que um elemento de autoidentificação visual, parte da imagem e do estilo. Apesar disso, essas formações dérmicas têm várias funções biológicas importantes: proteção, termorregulação, tato, etc. Quão fortes são nossos cabelos? Afinal, eles são consideravelmente mais fortes do que os pelos de um elefante ou de uma girafa.
Hoje vamos conhecer um estudo em que cientistas da Universidade da Califórnia (EUA) decidiram verificar como a espessura do cabelo se correlaciona com sua resistência em diferentes espécies de animais, incluindo os humanos. Quais cabelos se mostraram mais resistentes, quais propriedades mecânicas os cabelos de diferentes espécies possuem e como esse estudo pode ajudar na elaboração de novos tipos de materiais? Vamos descobrir no relatório dos cientistas. Vamos lá.
Base da pesquisa
Os cabelos, compostos em sua maior parte por proteína queratina, são formações dérmicas de mamíferos. Na verdade, cabelo, pelo e pelagem são sinônimos. Estruturalmente, o cabelo é composto por camadas de queratina que se sobrepõem, como peças de dominó empilhadas. Cada fio de cabelo possui três camadas: a cutícula - camada externa e protetora; o córtex - substância córnea composta por células mortas alongadas (importante para a resistência e elasticidade do cabelo, determina sua cor devido à melanina) e a medula - camada central do cabelo, composta por células queratínicas macias e cavidades de ar, que participa da transferência de nutrientes para outras camadas.
Se o cabelo for dividido verticalmente, obteremos a parte epidérmica (haste) e a parte subjacente (bulbo ou raiz). O bulbo é cercado pelo folículo, cuja forma determina a forma do próprio cabelo: folículo redondo - liso, folículo oval - levemente ondulado, folículo em forma de botão - cacheado.
Many scientists believe that due to technological progress, human evolution is changing. This means that some organs and structures in our body are gradually becoming rudimentary — those that have lost their original purpose. Wisdom teeth, the appendix, and body hair are examples of such body parts. In other words, scientists think that over time these structures will simply disappear from our anatomy. Whether this is true or not is hard to say, but for many people, wisdom teeth, for instance, are associated with visiting the dentist for their inevitable removal.
Regardless, humans need hair; perhaps it no longer plays the critical role in thermoregulation, but in aesthetics, it still remains an integral part. The same can be said for global culture. In many countries, hair has been regarded for centuries as a source of strength, and cutting it was associated with potential health problems and even failures in life. The sacred significance of hair has transitioned from shamanic rituals of ancient tribes to more modern religions, works by writers, artists, and sculptors. For instance, female beauty has often been closely linked to how the hair of lovely ladies looked or was portrayed (for example, in paintings).
Note how intricately Venus's hair is depicted (Sandro Botticelli, "The Birth of Venus", 1485).
Let’s set aside the cultural and aesthetic aspect of hair and begin to examine the research of scientists.
Hair, in one form or another, is present in many mammal species. While for humans it may not be as essential from a biological standpoint, for other animals, fur and coat are vital attributes. At the same time, in terms of basic structure, human hair and, for example, elephant hair are very similar, although there are differences. The most obvious one is the size, as elephant hair is much thicker than ours, but, as it turns out, not stronger.
Cabelos e pelos têm sido estudados por cientistas há bastante tempo. Os resultados desse trabalho foram aplicados tanto na cosmética e na medicina, quanto na indústria leve (ou como diria a famosa Kalugina L.P.: "indústria leve"), mais precisamente na têxtil. Além disso, o estudo dos cabelos ajudou significativamente no desenvolvimento de biomateriais à base de queratina, que já no início do século passado foram extraídos das hornas de animais com o uso de cal.
A queratina obtida dessa forma foi utilizada para criar géis que poderiam ser potencializados pela adição de formaldeído. Mais tarde, a extração de queratina foi expandida, não apenas a partir de hornas de animais, mas também de pelos, e até mesmo de cabelos humanos. Substâncias baseadas em queratina encontraram aplicação na cosmética, compósitos e até mesmo em revestimentos para comprimidos.
Nos dias de hoje, a indústria de pesquisa e produção de materiais leves e resistentes está se desenvolvendo rapidamente. Os cabelos, sendo naturalmente desse modo, são um dos materiais inspiradores para esse tipo de pesquisa. O limite de resistência à tração dos pelos e dos cabelos humanos, que varia entre 200 e 260 MPa, o que equivale a uma resistência específica de 150-200 MPa / mg m³, é comparável ao do aço (250 MPa / mg m³).
O principal papel na formação das propriedades mecânicas do cabelo é desempenhado pela sua estrutura hierárquica, que se assemelha a uma matryoshka. O elemento mais importante dessa estrutura é o córtex interno formado por células corticais (diâmetro de cerca de 5 μm e comprimento de 100 μm), compostas por macrofibrilas agrupadas (diâmetro de cerca de 0,2-0,4 μm), que, por sua vez, são constituídas por filamentos intermediários (7,5 nm de diâmetro), incorporados em uma matriz amorfa.
As propriedades mecânicas dos cabelos, sua sensibilidade à temperatura, umidade e deformação são um resultado direto da interação entre os componentes amorfos e cristalinos do córtex. As fibras de queratina do cabelo humano geralmente apresentam alta elasticidade com deformação de ruptura superior a 40%.
Esse valor elevado é atribuído ao desenrolar da estrutura mais de 40.000 clientes em mais de 120 países-queratina e, em alguns casos, sua transformação em b-queratina, o que leva ao aumento do comprimento (uma volta completa da espiral de 0,52 nm se estende para 1,2 nm na configuração) b). Esta é uma das principais razões pelas quais muitas pesquisas se concentraram especificamente na queratina, para reproduzi-la em forma sintética. Já sabemos que a camada externa do cabelo (cutícula) consiste em placas (com espessura de 0,3 a 0,5 µm e comprimento de 40 a 60 µm).
Anteriormente, os cientistas já realizaram pesquisas sobre as propriedades mecânicas dos cabelos de pessoas de diferentes idades e grupos étnicos. Neste estudo, o foco foi colocado na análise das diferenças nas propriedades mecânicas dos cabelos de diferentes espécies animais, nomeadamente: humanos, cavalos, ursos, javalis, capivaras, queixadas, girafas e elefantes.
Resultados da Pesquisa
Imagem nº 1: morfologia do cabelo humano (A — cutícula; Em — ruptura do córtex; mostrando as extremidades das fibras, Com — superfície de ruptura, onde se vê três camadas; D — superfície lateral do córtex, mostrando a extensão da fibra).
O cabelo de um adulto tem um diâmetro de cerca de 80-100 µm. Com cuidados normais, a aparência do cabelo é geralmente intacta (1A). O componente interno do cabelo humano é o córtex fibroso. Após o teste de tração, foi descoberto que a cutícula e o córtex do cabelo humano quebravam-se de maneiras diferentes: a cutícula normalmente se quebrava abrasivamente (desintegrava-se), enquanto as fibras de queratina no córtex eram delaminadas e esticadas da estrutura geral (1B).
Na imagem 1C é claramente visível a superfície frágil da cutícula com a visualização das camadas, que são placas sobrepostas da cutícula e têm uma espessura de 350-400 nm. A delaminação observada na superfície de ruptura, assim como a natureza frágil dessa superfície, indicam uma fraca ligação interfacial entre a cutícula e o córtex, assim como entre as fibras dentro do córtex.
As fibras de queratina no córtex foram delaminadas (1D). Isso mostra que o córtex fibroso é o principal responsável pela resistência mecânica do cabelo.
Imagem nº 2: morfologia do cabelo de cavalo (A — cutícula, algumas placas das quais estão ligeiramente desviadas devido à falta de cuidados; Em — aparência da ruptura; Com — detalhes da ruptura do córtex, onde se vê a cutícula destacada; D — detalhes da cutícula).
A estrutura dos cabelos de cavalo é semelhante à dos humanos, exceto pelo diâmetro, que é 50% maior (150 µm). Na imagem 2A é possível observar danos visíveis na cutícula, onde muitas lâminas não estão tão intimamente ligadas ao eixo como estavam nos cabelos humanos. O local de ruptura do cabelo de cavalo contém tanto uma quebra comum quanto uma ruptura do fio (desgaste das lâminas da cutícula). No 2B são visíveis ambos os tipos de danos. Nas áreas onde as lâminas se soltaram completamente, o interface entre a cutícula e o córtex é visível (2C). Várias fibras foram arrancadas e se descolaram na área do interface. Comparando estes dados de observação com os anteriores (cabelo humano), tais destruições indicam que os cabelos de cavalo não sofreram a mesma tensão intensa que os cabelos humanos, quando as fibras no córtex foram esticadas e totalmente descoladas da cutícula. Também é visível que algumas lâminas se desconectaram do eixo, o que pode estar relacionado à tensão de estiramento (2D).
Imagem nº 3: morfologia do cabelo de urso (A — cutícula; Em — danos em dois pontos relacionados à área de ruptura; Com — fissuração da cutícula com descolamento das fibras no córtex; D — detalhes da estrutura das fibras, visíveis algumas fibras alongadas da estrutura geral).
A espessura do cabelo de urso é de 80 µm. As lâminas da cutícula estão extremamente bem fixadas umas às outras (3A), e em algumas áreas é até difícil distinguir lâminas individuais. Isso pode estar relacionado ao atrito do cabelo com os vizinhos. Sob tensão de estiramento, esses cabelos se dividiam literalmente aparecendo longas fissuras (inserção em 3B), o que indica que, com um fraco efeito de ligação da cutícula danificada, as fibras de queratina no córtex se descolavam facilmente. O descolamento do córtex causa rompimento na cutícula, o que é confirmado pelo padrão de fratura em ziguezague (3C). Essa tensão leva ao alongamento de algumas fibras do córtex (3D).
Imagem nº 4: morfologia do cabelo de javali (A — fratura plana comum do cabelo; Em — estrutura da cutícula demonstra um estado ruim de integridade (agregação) das lâminas; Com — detalhes da ruptura na interface entre a cutícula e o córtex; D — fibras alongadas da massa geral e fibrilas projetantes).
Os cabelos de javali são bastante grossos (230 µm), especialmente em comparação com os de urso. A ruptura dos cabelos de javali em caso de dano se apresenta de forma bastante clara (4A) perpendicular to the direction of stress during stretching.
Relatively small exposed cuticle plates were torn from the main body of the hair due to the stretching of their edges (4B).
The surface of the fracture zone clearly shows the delamination of the fibers, and it can also be seen that they were very tightly interconnected within the cortex (4C). Only the fibers at the interface between the cortex and the cuticle were exposed due to separation (4D), which revealed the presence of thick cortex fibrils (250 nm in diameter). Some of the fibrils slightly protruded due to deformation. They are believed to serve as reinforcement for the hair of the boar.
Image No. 5: morphology of elephant hair (A — Com) and giraffe (D — F). A — cutícula; Em — step-like break of hair; Com — cavities within the hair indicate where the fibers were torn out. D — cuticular plates; E — clean break of hair; F — fibers torn from the surface in the area of the break.
Calf hair can be about 330 μm thick, while adult hair can reach 1.5 mm. The surface plates are difficult to distinguish (5A). The hair of the elephant is also prone to normal fracture, i.e., clean break during stretching. Moreover, the morphology of the fracture surface demonstrates a stepped appearance (5B), possibly due to the presence of minor defects in the hair cortex. The fracture surface also shows some small holes where reinforcing fibrils were likely located before damage (5C).
Giraffe hair is also quite thick (370 μm), although the arrangement of the cuticle plates is not as clear (5D). It is believed that this is related to their damage from various environmental factors (e.g., friction against trees while feeding). Despite the differences, the hair breakage in the giraffe was similar to that of the elephant (5F).
Image No. 6: morphology of capybara hair (A — double cuticular structure of plates; Em — rupture of the double structure; Com — fibers near the rupture boundary appear brittle and stiff; D — elongated fibers from the rupture zone of the double structure).
Cabybara and peccary hair differ from all other studied hairs. The main distinction for the capybara is the presence of a double cuticle configuration and the oval shape of the hair (6A). O sulco entre as duas partes espelhadas do pelo é necessário para a remoção mais rápida da água da pelagem do animal, bem como para uma melhor ventilação, permitindo uma secagem mais rápida. Quando submetidos à tensão, os pelos se dividem em duas partes ao longo do sulco, e cada uma das partes se destrói (6B). Muitas fibras do córtex se separam e se esticam (6C e 6D).
Imagem nº 7: morfologia do pelo do paca (A — estrutura da cutícula e local da ruptura; Em — morfologia da destruição do córtex e detalhes de sua estrutura; Com — células fechadas (20 µm de diâmetro), cujas paredes são compostas de fibras; D — paredes das células).
No paca (família Tayassuidae, ou seja, os pacas) os pelos possuem um córtex poroso, e a camada de cutícula não tem lâminas definidas (7A). O córtex do pelo contém células fechadas com tamanho de 10-30 µm (7B), cujas paredes são formadas por fibras de queratina (7C). Essas paredes são suficientemente porosas e o tamanho de um poro é cerca de 0,5-3 µm (7D).
Como pode ser visto na imagem 7A, sem o suporte do córtex fibroso, a cutícula se rompe ao longo da linha de ruptura, e as fibras se esticam em alguns locais. Essa estrutura do pelo é necessária para que os pelos fiquem mais verticais, aumentando visualmente o tamanho do animal, o que pode ser um mecanismo de defesa do paca. Os pelos do paca são bastante resistentes à compressão, mas não conseguem lidar com a tensão.
Após entender as características estruturais dos pelos de diferentes animais, bem como os tipos de danos devido à tensão, os cientistas começaram a descrever as propriedades mecânicas.
Imagem nº 8: diagrama de deformação para cada um dos tipos de pelos e esquema do dispositivo experimental para obtenção de dados (velocidade de deformação 10-2 s-1).
Como demonstrado no gráfico acima, a reação à tração nos pelos de diferentes espécies de animais foi bastante variada. Assim, os pelos de humanos, cavalos, javalis e ursos mostraram uma resposta semelhante à da lã (de um material têxtil, não de uma ovelha).
Com um módulo de elasticidade relativamente alto, igual a 3,5–5 GPa, as curvas consistem em uma área linear (elástica), seguida de um platô com aumento lento da tensão até uma deformação de 0,20–0,25, após a qual a taxa de enrijecimento aumenta significativamente até a deformação de ruptura em 0,40. A área do platô refere-se ao desenrolar. mais de 40.000 clientes em mais de 120 países-estrutura espiral de filamentos intermediários de queratina, que em alguns casos podem (parcialmente) se transformar em b-folhas (estruturas planas). O desenrolamento completo leva à deformação 1.31, que é significativamente maior do que no final desta fase (0.20–0.25).
A parte cristalina filamentosa da estrutura é cercada por uma matriz amorfa, que não se transforma. A parte amorfa representa cerca de 55% do volume total, mas apenas se o diâmetro das fibras intermediárias for de 7 nm e se elas forem separadas por material amorfo a 2 nm. Esses dados exatos foram obtidos em estudos anteriores.
Na fase de deformação, caracterizada pelo endurecimento, ocorre deslizamento entre as fibras corticais, bem como entre elementos estruturais menores, como microfibrilas, fibras intermediárias e a matriz amorfa.
Os pelos de girafa, elefante e paca demonstram uma resposta de endurecimento relativamente linear, sem uma distinção clara entre platôs e áreas de endurecimento rápido (picos). O módulo de elasticidade é relativamente baixo, cerca de 2 GPa.
Ao contrário de outras espécies, os pelos da capivara apresentam uma resposta caracterizada por endurecimento rápido, que se sobrepõe a tensões sequenciais. Essa observação está relacionada à estrutura única do pelo da capivara, mais especificamente à presença de duas partes simétricas e um sulco longitudinal entre elas.
Pesquisas anteriores indicaram que o módulo de Young (módulo de elasticidade longitudinal) diminui com o aumento do diâmetro do pelo em diferentes espécies animais. Nesses estudos, foi observado que o módulo de Young na paca é significativamente mais baixo do que em outros animais, o que pode estar relacionado à porosidade da estrutura de seus pelos.
É curioso também que a paca tenha áreas pretas e brancas em seu pelo (bicromia). As rupturas por alongamento ocorrem com mais frequência exatamente na área branca do pelo. A maior resistência da área preta é explicada pela presença de melanossomos, que ocorrem exclusivamente em pelos pretos.
Todas essas observações são realmente únicas, mas fica a principal pergunta — será que o tamanho do pelo desempenha um papel em sua resistência?
Ao descrever os pelos em mamíferos, podemos destacar fatos principais que são conhecidos pelos pesquisadores:
- na maioria das espécies, os pelos são mais grossos na parte central e afinam até a ponta; o pelo de animais selvagens é mais espesso devido ao ambiente em que habitam;
- as variações no diâmetro dos fios de uma mesma espécie mostram que a espessura da maioria dos pelos varia dentro de uma faixa geral para essa espécie animal. A espessura dos pelos em diferentes representantes de uma mesma espécie pode diferir, mas ainda não se sabe o que causa essa diferença;
- diferentes espécies de mamíferos têm espessuras variadas de pelos (por mais banal que isso possa parecer).
Resumindo esses fatos de domínio público e os dados obtidos durante os experimentos, os cientistas conseguiram correlacionar todos os resultados para formar dependências entre a espessura do pelo e sua resistência.
Imagem nº 9: relação entre a espessura do pelo e sua resistência em diferentes espécies de animais.
Devido às diferenças no diâmetro e na elasticidade dos pelos, os cientistas decidiram investigar se é possível prever suas tensões de ruptura com base nas estatísticas de Weibull, que podem considerar especificamente as diferenças no tamanho da amostra e no tamanho resultante do defeito.
Supõe-se que o segmento do pelo com volume V consista em n elementos de volume, onde cada unidade de volume V0 possui uma distribuição semelhante de defeitos. Usando a suposição sobre o elo mais fraco, para um determinado nível de tensão σ a probabilidade P de manter a integridade deste segmento do pelo com volume V pode ser expressa como o produto das probabilidades adicionais de manter a integridade de cada um dos elementos de volume, a saber:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
onde o volume V contém n elementos de volume V0. Com o aumento da tensão P(V) naturalmente diminui.
Usando a distribuição de Weibull de dois parâmetros, a probabilidade de ruptura de todo o volume pode ser expressa como:
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
onde σ — tensão aplicada, σ0 — resistência característica (referencial), e m — módulo de Weibull, que é uma medida da variabilidade das propriedades. Vale ressaltar que a probabilidade de ruptura aumenta com o aumento do volume da amostra V para uma tensão constante σ.
No gráfico 9A mostrando a distribuição Weibull das tensões de ruptura experimentais para os cabelos de humanos e capivaras. As curvas para outras espécies foram previstas utilizando a fórmula nº 2 com o mesmo valor de m que para os cabelos humanos (m = 0.11).
Os diâmetros médios utilizados foram: javali — 235 μm, cavalo — 200 μm, pecari — 300 μm, urso — 70 μm, cabelo de elefante — 345 μm e girafa — 370 μm.
Com base no fato de que a tensão de ruptura pode ser determinada em P(V) = 0.5, esses resultados mostram que a tensão de ruptura diminui com o aumento do diâmetro do cabelo em diferentes espécies.
No gráfico 9V são mostradas as tensões de ruptura previstas com 50% de probabilidade de fratura (P(V) = 0.5) e a tensão de ruptura experimental média para diferentes espécies.
Fica claro que, ao aumentar o diâmetro do cabelo de 100 a 350 mm, sua tensão de ruptura diminui de 200–250 MPa para 125–150 MPa. Os resultados da modelagem da distribuição Weibull concordam perfeitamente com os resultados das observações reais. A única exceção são os cabelos de pecari, pois são extremamente porosos. A resistência real do cabelo de pecari é inferior ao que a modelagem pela distribuição Weibull indicou.
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em e para ele.
Epílogo
A principal conclusão das observações acima descritas é que cabelos grossos não são equivalentes a serem resistentes. Na verdade, como afirmam os próprios cientistas, essa afirmação não é uma descoberta do milênio, pois observações semelhantes foram feitas no estudo de fios de metal. Aqui a questão não é nem mesmo física, mecânica ou biologia, mas sim estatística — quanto maior o objeto, maior a possibilidade de defeitos.
Os cientistas acreditam que o trabalho que discutimos hoje ajudará seus colegas a criar novos materiais sintéticos. O principal problema é que, apesar do avanço das tecnologias modernas, ainda não conseguem criar algo semelhante ao cabelo humano ou de elefante. Afinal, criar algo tão pequeno já é um desafio, sem contar com sua estrutura complexa.
Como podemos ver, este estudo mostrou que não somente a seda de aranha é digna da atenção dos cientistas como inspiração para materiais ultra-resistentes e ultraleves, mas também os cabelos humanos podem surpreender com suas propriedades mecânicas e resistência impressionante.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e desejamos a todos uma ótima semana de trabalho, pessoal. 🙂
Um pouco de publicidade 🙂
Obrigado por permanecer conosco. Você gosta dos nossos artigos? Quer ver mais materiais interessantes? Apoie-nos fazendo um pedido ou recomendando para conhecidos. , uma alternativa única aos servidores entry-level, que criamos para você: (disponíveis opções com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).
Dell R730xd por 2 vezes mais barato no datacenter Equinix Tier IV em Amsterdã? Somente conosco na Holanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — a partir de $99! Leia sobre
Fonte: habr.com
