Para os humanos modernos, o cabelo nada mais é do que um elemento de autoidentificação visual, parte da imagem e da personalidade de cada um. Apesar disso, essas estruturas córneas da pele desempenham diversas funções biológicas importantes: proteção, termorregulação, tato, etc. Então, quão resistente é o nosso cabelo? Acontece que ele é várias vezes mais resistente do que o pelo de um elefante ou de uma girafa.
Hoje, vamos aprender sobre um estudo no qual cientistas da Universidade da Califórnia (EUA) decidiram testar a correlação entre a espessura e a resistência do cabelo em diferentes espécies animais, incluindo humanos. De quais espécies o cabelo se mostrou mais resistente, quais propriedades mecânicas o cabelo de diferentes espécies possui e como essa pesquisa pode ajudar no desenvolvimento de novos tipos de materiais? Descobriremos tudo isso no relatório dos cientistas. Vamos começar.
Base do estudo
O cabelo, composto principalmente da proteína queratina, é uma estrutura córnea encontrada na pele dos mamíferos. Aliás, cabelo, lã e pelo são sinônimos. Estruturalmente, o cabelo é composto por placas de queratina que se sobrepõem como dominós caindo uns sobre os outros. Cada fio de cabelo possui três camadas: a cutícula, a camada externa e protetora; o córtex, composto por células alongadas e mortas (importantes para a força e elasticidade do cabelo, determinando sua cor devido à melanina); e a medula, a camada central do cabelo, composta por células de queratina macias e espaços de ar que ajudam a transferir nutrientes para as outras camadas.
Se dividirmos o cabelo verticalmente, obtemos a parte acima da pele (a haste) e a parte abaixo da pele (o bulbo ou raiz). O bulbo é envolvido por um folículo, cujo formato determina o formato do próprio cabelo: um folículo redondo produz cabelo liso, um folículo oval produz cabelo ligeiramente encaracolado e um folículo em forma de rim produz cabelo encaracolado.
Muitos cientistas sugerem que o progresso tecnológico está alterando a evolução humana. Isso significa que alguns órgãos e estruturas do nosso corpo estão gradualmente se tornando vestigiais — aqueles que perderam sua função. Tais partes incluem os dentes do siso, o apêndice e os pelos do corpo. Em outras palavras, os cientistas acreditam que, com o tempo, essas estruturas simplesmente desaparecerão da nossa anatomia. Se isso é verdade ou não, é difícil dizer, mas para muitas pessoas comuns, os dentes do siso, por exemplo, estão associados a uma visita ao dentista para sua inevitável extração.
Seja como for, o cabelo é essencial para os seres humanos. Embora possa não desempenhar mais um papel crucial na termorregulação, continua sendo parte integrante da estética. O mesmo pode ser dito da cultura global. Em muitos países, o cabelo foi historicamente considerado a fonte de toda a força, e cortá-lo era associado a potenciais problemas de saúde e até mesmo ao fracasso na vida. O significado sagrado do cabelo migrou dos rituais xamânicos de tribos antigas para religiões mais modernas, para as obras de escritores, artistas e escultores. Em particular, a beleza feminina era frequentemente associada à aparência ou à representação (por exemplo, em pinturas) de belos cabelos femininos.
Repare nos detalhes do cabelo de Vênus (Sandro Botticelli, O Nascimento de Vênus, 1485).
Deixemos de lado os aspectos culturais e estéticos do cabelo e passemos a examinar a pesquisa dos cientistas.
Pelos, de uma forma ou de outra, estão presentes em muitas espécies de mamíferos. Embora não sejam tão importantes biologicamente para os humanos, pelos e pelagem são atributos vitais para outros animais. Apesar da estrutura básica do cabelo humano ser muito semelhante à de, digamos, elefantes, existem diferenças. A mais óbvia é o tamanho: o pelo do elefante é muito mais grosso que o nosso, mas, como se verifica, não é necessariamente mais resistente.
Cientistas estudam cabelos e lã há bastante tempo. Os resultados dessa pesquisa foram aplicados na cosmetologia e na medicina, bem como na indústria leve (ou, como diria o infame L.P. Kalugina, "indústria de pequeno porte"), ou mais precisamente, na indústria têxtil. Além disso, o estudo dos cabelos contribuiu enormemente para o desenvolvimento de biomateriais à base de queratina, que foram isolados pela primeira vez de chifres de animais utilizando cal no início do século passado.
A queratina assim obtida era utilizada para criar géis que podiam ser reforçados com a adição de formaldeído. Posteriormente, a queratina passou a ser extraída não apenas de chifres de animais, mas também de seus pelos e cabelos humanos. Substâncias à base de queratina encontraram aplicação em cosméticos, compósitos e até mesmo em revestimentos de comprimidos.
O estudo e a produção de materiais duráveis e leves estão se desenvolvendo rapidamente nos dias de hoje. O cabelo, por ser um material natural, é um desses materiais que inspira esse tipo de pesquisa. A resistência à tração da lã e do cabelo humano, por exemplo, varia de 200 a 260 MPa, o que equivale a uma resistência específica de 150-200 MPa/mg m-3. Isso é praticamente comparável ao aço (250 MPa/mg m-3).
A estrutura hierárquica do cabelo, que lembra uma boneca russa, desempenha um papel fundamental na determinação de suas propriedades mecânicas. O elemento mais importante dessa estrutura é o córtex interno das células corticais (com aproximadamente 5 µm de diâmetro e 100 µm de comprimento), composto por macrofibrilas agrupadas (com aproximadamente 0.2-0.4 µm de diâmetro), que, por sua vez, consistem em filamentos intermediários (com 7.5 nm de diâmetro) imersos em uma matriz amorfa.
As propriedades mecânicas do cabelo, sua sensibilidade à temperatura, umidade e deformação, são resultado direto da interação entre os componentes amorfos e cristalinos do córtex. As fibras de queratina no córtex capilar humano tipicamente exibem alta extensibilidade, com uma deformação por tração superior a 40%.
Esse valor elevado se deve ao desenrolamento da estrutura. а-queratina e, em alguns casos, sua transformação em b-queratina, o que leva a um aumento no comprimento (uma volta completa da hélice de 0.52 nm é esticada para 1.2 nm na configuração). bEssa é uma das principais razões pelas quais muitos estudos têm se concentrado na queratina, visando recriá-la em forma sintética. A camada externa do cabelo (a cutícula), como já sabemos, consiste em placas (0.3–0.5 µm de espessura e 40–60 µm de comprimento).
Anteriormente, cientistas haviam estudado as propriedades mecânicas do cabelo de pessoas de diferentes idades e grupos étnicos. Este estudo focou nas diferenças nas propriedades mecânicas do cabelo de diferentes espécies animais, nomeadamente humanos, cavalos, ursos, javalis, capivaras, catetos, girafas e elefantes.
Resultados do estudo
Imagem nº 1: Morfologia do cabelo humano (А — cutícula; В - uma fratura do córtex; mostrando as extremidades das fibras, С - uma superfície de fratura onde três camadas são visíveis; D - superfície lateral do córtex mostrando a extensão das fibras).
O cabelo de um adulto tem aproximadamente 80 a 100 micrômetros de diâmetro. Com os cuidados adequados, sua aparência permanece bastante intacta (1АO componente interno do cabelo humano é o córtex fibroso. Testes de tração revelaram que a cutícula e o córtex do cabelo humano se fraturam de maneira diferente: a cutícula geralmente se fratura de forma abrasiva (esfarelando), enquanto as fibras de queratina no córtex são esfoliadas e arrancadas da estrutura geral (1V).
Na foto 1S A superfície frágil da cutícula é claramente visível, com camadas visualizadas como placas cuticulares sobrepostas, com 350–400 nm de espessura. A delaminação observada na superfície de fratura, bem como a natureza frágil dessa superfície, demonstram ligações interfaciais fracas entre a cutícula e o córtex, assim como entre as fibras dentro do córtex.
As fibras de queratina no córtex estavam estratificadas (1DIsso sugere que o córtex fibroso é o principal responsável pela resistência mecânica do cabelo.
Imagem nº 2: Morfologia do pelo de cavalo (А - cutícula, algumas das quais estão ligeiramente desviadas devido à falta de cuidado; В — aparência da lacuna; С - detalhes da ruptura do córtex, onde a cutícula rasgada é visível; D - detalhes da cutícula).
A estrutura do pelo de cavalo é semelhante à do cabelo humano, exceto pelo diâmetro, que é 50% maior (150 micrômetros). Na imagem. 2А É possível observar danos visíveis na cutícula, onde muitas das placas não estão tão firmemente aderidas à haste capilar como no cabelo humano. O local da ruptura do fio de crina de cavalo apresenta tanto uma fratura normal quanto uma quebra do fio (descolamento das placas da cutícula). 2V Ambos os tipos de dano são visíveis. Nas áreas onde as placas se desprenderam completamente, a interface entre a cutícula e o córtex fica visível (2SDiversas fibras foram arrancadas e delaminadas na área da interface. Comparando essas observações com as anteriores (cabelo humano), tais falhas indicam que o pelo de cavalo não sofreu o mesmo nível de estresse que o cabelo humano quando as fibras do córtex foram arrancadas e completamente destacadas da cutícula. Também é evidente que algumas lâminas se desprenderam da haste, o que pode ser devido à tensão de tração (2D).
Imagem nº 3: Morfologia do pelo do urso (А — cutícula; В - danos em dois pontos associados à área de ruptura; С - fissuras na cutícula com delaminação das fibras no córtex; D - detalhes da estrutura da fibra, sendo visíveis várias fibras alongadas que se destacam da estrutura geral).
A espessura do pelo do urso é de 80 mícrons. As placas da cutícula são extremamente firmemente aderidas umas às outras (3А), e em algumas áreas é até difícil distinguir as lâminas capilares individuais. Isso pode ser devido ao atrito entre os fios de cabelo e os fios vizinhos. Sob tensão, esses fios literalmente se dividem, criando longas fissuras (inserir em 3B), indicando que, com o fraco efeito de ligação da cutícula danificada, as fibras de queratina no córtex foram facilmente delaminadas. A delaminação do córtex causa uma ruptura na cutícula, como evidenciado pelo padrão em ziguezague da fratura (3SEssa tensão faz com que algumas fibras sejam puxadas para fora do córtex (3D).
Imagem nº 4: Morfologia do pelo de javali (А - uma fratura capilar plana comum; В — a estrutura da cutícula demonstra baixa integridade (agrupamento) das placas; С — detalhes da ruptura na interface entre a cutícula e o córtex; D — fibras extraídas da massa total e fibrilas salientes).
O pelo do javali é bastante espesso (230 mm), especialmente em comparação com o pelo do urso. Quando danificado, a quebra no pelo do javali fica bem visível (4Аperpendicular à direção da tensão de tração.
Pequenas porções da cutícula exposta foram arrancadas do corpo principal do cabelo devido ao estiramento de suas bordas (4V).
Na superfície da zona de destruição, a delaminação das fibras é claramente visível, sendo também evidente que elas estavam muito firmemente conectadas umas às outras dentro do córtex (4S). Somente as fibras na interface entre o córtex e a cutícula ficaram expostas devido à separação (4D), que revelou a presença de fibrilas corticais espessas (250 nm de diâmetro). Algumas das fibrilas se projetam ligeiramente devido à deformação. Presume-se que elas sirvam como reforço para o pelo do javali.
Imagem nº 5: Morfologia do pelo de elefante (А - С) e uma girafa (D - F). А — cutícula; В - quebra de cabelo em etapas; С - Os espaços vazios dentro do cabelo indicam onde as fibras foram arrancadas. D — placas cuticulares; Е - até mesmo quebra de cabelo; F - fibras arrancadas da superfície na área da fratura.
A pelagem de um filhote de elefante pode ter cerca de 330 micrômetros de espessura, enquanto em um adulto pode chegar a 1.5 mm. As placas na superfície são difíceis de distinguir (5А). O pelo de elefante também é propenso a fraturas normais, ou seja, fraturas limpas sob tensão. Além disso, a morfologia da superfície de fratura apresenta uma aparência escalonada (5V), possivelmente causada pela presença de pequenos defeitos no córtex capilar. Alguns pequenos orifícios também podem ser vistos na superfície da fratura, onde provavelmente estavam localizadas fibrilas de reforço antes do dano (5S).
O pelo da girafa também é bastante espesso (370 mícrons), embora a disposição das placas da cutícula não seja tão clara (5DAcredita-se que isso se deva a danos causados por diversos fatores ambientais (por exemplo, atrito contra árvores durante a alimentação). Apesar das diferenças, a quebra de pelos na girafa foi semelhante à do elefante (5F).
Imagem nº 6: Morfologia do pelo da capivara (А - estrutura cuticular dupla das placas; В — ruptura da estrutura dupla; С — as fibras próximas ao limite de ruptura apresentam aspecto quebradiço e rígido; D - fibras alongadas da zona de ruptura da estrutura dupla).
Os pelos da capivara e do cateto diferem de todos os outros pelos estudados. Na capivara, a principal diferença é a presença de uma configuração de cutícula dupla e um formato oval do pelo (6АO sulco entre as duas partes espelhadas do pelo é necessário para uma remoção mais rápida da água da pelagem do animal, bem como para uma melhor ventilação, o que permite uma secagem mais rápida. Quando submetido a estiramento, o pelo se divide em duas partes ao longo do sulco, e cada parte é destruída (6VMuitas fibras do córtex estão delaminadas e esticadas (6S и 6D).
Imagem nº 7: Morfologia dos pelos do cateto (А — a estrutura da cutícula e a localização da ruptura; В — morfologia da destruição do córtex e detalhes de sua estrutura; С — células fechadas (20 µm de diâmetro), cujas paredes são constituídas por fibras; D — paredes celulares).
Os catetos (família) Tayassuidae, ou seja, o pelo do cateto) tem um córtex poroso e a camada da cutícula não possui placas claras (7АO córtex capilar contém células fechadas que medem de 10 a 30 µm (7V), cujas paredes são constituídas por fibras de queratina (7SEssas paredes são bastante porosas, e o tamanho de um poro é de cerca de 0.5 a 3 µm (7D).
Como visto na foto 7АSem o suporte do córtex fibroso, a cutícula se rompe ao longo da linha de quebra, e as fibras se esticam em algumas áreas. Essa estrutura capilar é necessária para que o pelo pareça mais vertical, aumentando visualmente o tamanho do animal, o que pode ser um mecanismo de defesa para o cateto. O pelo do cateto é bastante resistente à compressão, mas não ao estiramento.
Após compreenderem as características estruturais dos pelos de diferentes animais, bem como os tipos de danos causados pela tensão, os cientistas começaram a descrever suas propriedades mecânicas.
Figura 8: Diagrama de deformação para cada tipo de cabelo e esquema da configuração experimental para aquisição de dados (taxa de deformação de 10-2 s-1).
Como mostra o gráfico acima, a resposta ao estiramento variou consideravelmente entre os pelos de diferentes espécies animais. Por exemplo, pelos humanos, de cavalo, de javali e de urso apresentaram uma resposta semelhante à da lã (não lã de verdade, mas lã têxtil).
Com um módulo de elasticidade relativamente alto, de 3.5 a 5 GPa, as curvas consistem em uma região linear (elástica) seguida por um platô com tensão aumentando lentamente até uma deformação de 0.20 a 0.25, após a qual a taxa de endurecimento aumenta significativamente até uma deformação de ruptura de 0.40. A região do platô corresponde ao desenrolamento. а- estrutura helicoidal dos filamentos intermediários de queratina, que em alguns casos podem (parcialmente) se transformar em b-folhas (estruturas planas). O desenrolamento completo resulta em uma deformação de 1.31, que é significativamente maior do que no final desta etapa (0.20–0.25).
A porção filamentosa cristalina da estrutura é circundada por uma matriz amorfa que não sofre transformação. A porção amorfa representa aproximadamente 55% do volume total, mas apenas se os filamentos intermediários tiverem 7 nm de diâmetro e estiverem separados por 2 nm de material amorfo. Esses valores precisos foram obtidos em estudos anteriores.
Durante a fase de endurecimento da deformação, ocorre deslizamento entre as fibras corticais, bem como entre elementos estruturais menores, como microfibrilas, filamentos intermediários e matriz amorfa.
Os pelos de girafa, elefante e cateto exibem uma resposta de endurecimento relativamente linear, sem distinção clara entre platôs e regiões de endurecimento rápido (picos). O módulo de elasticidade é relativamente baixo, em torno de 2 GPa.
Diferentemente de outras espécies, o pelo da capivara apresenta uma resposta caracterizada por endurecimento rápido sob tensões sucessivas. Essa observação se deve à estrutura incomum do pelo da capivara, especificamente à presença de duas partes simétricas e um sulco longitudinal entre elas.
Estudos anteriores demonstraram que o módulo de Young (módulo de elasticidade longitudinal) diminui com o aumento do diâmetro do pelo em diferentes espécies animais. Esses estudos observaram que o módulo de Young do cateto é significativamente menor do que o de outros animais, o que pode ser atribuído à porosidade da estrutura do seu pelo.
Outro fato interessante é que o pelo do cateto possui seções pretas e brancas (bicolor). A quebra sob tensão ocorre com mais frequência na seção branca do pelo. A maior resistência da seção preta se deve à presença de melanossomas, que são encontrados exclusivamente no pelo preto.
Todas essas observações são verdadeiramente únicas, mas a principal questão permanece: o tamanho do fio de cabelo influencia sua resistência?
Ao descrever os pelos em mamíferos, podemos destacar os principais fatos conhecidos pelos pesquisadores:
- A maioria das espécies possui pelos mais grossos no centro e que afinam em direção às pontas; animais selvagens têm pelos mais grossos devido ao seu habitat;
- As variações no diâmetro dos pelos dentro de uma mesma espécie mostram que a espessura da maioria dos pelos varia dentro da faixa geral para uma determinada espécie animal. A espessura dos pelos pode variar entre indivíduos da mesma espécie, mas os fatores que influenciam essa variação ainda são desconhecidos.
- Diferentes espécies de mamíferos têm diferentes espessuras de pelo (por mais trivial que isso possa parecer).
Ao resumir esses fatos disponíveis publicamente e os dados obtidos durante os experimentos, os cientistas conseguiram comparar todos os resultados para estabelecer relações de dependência entre a espessura do cabelo e sua resistência.
Figura 9: Relação entre a espessura e a resistência do pelo em diferentes espécies animais.
Devido às diferenças no diâmetro e na extensibilidade dos fios de cabelo, os cientistas decidiram investigar se a sua resistência à tração poderia ser prevista usando a estatística de Weibull, que leva em consideração especificamente as diferenças no tamanho da amostra e no tamanho do defeito resultante.
Presume-se que o segmento capilar com volume V состоит из n elementos de volume, com cada unidade de volume V0 apresenta uma distribuição de defeitos semelhante. Usando a hipótese do elo mais fraco, em um determinado nível de tensão. σ probabilidade P manter a integridade deste segmento capilar com volume V pode ser expresso como um produto de probabilidades adicionais de manter a integridade de cada um dos elementos do volume, a saber:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
onde está o volume V contém n elementos de volume V0Quando a voltagem aumenta P(V) diminui naturalmente.
Utilizando a distribuição de Weibull de dois parâmetros, a probabilidade de colapso de todo o volume pode ser expressa como:
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
onde σ — tensão aplicada, σ0 é a resistência característica (de referência), e m — o módulo de Weibull, que é uma medida da variabilidade das propriedades. Vale ressaltar que a probabilidade de falha aumenta com o aumento do tamanho da amostra. V a tensão constante σ.
No gráfico 9А A distribuição de Weibull das tensões de ruptura experimentais para cabelos humanos e de capivara é mostrada. As curvas para outras espécies foram previstas usando a fórmula nº 2 com o mesmo valor de m que para cabelos humanos (m = 0.11).
Os diâmetros médios utilizados foram: javali - 235 µm, cavalo - 200 µm, pecari - 300 µm, urso - 70 µm, pelo 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 indicam que a tensão de ruptura diminui com o aumento do diâmetro do pelo em diferentes espécies.
No gráfico 9V São apresentadas as tensões de tração previstas com 50% de probabilidade de falha (P(V) = 0.5) e a tensão de tração experimental média para diferentes tipos.
Fica evidente que, à medida que o diâmetro do pelo aumenta de 100 para 350 mm, sua resistência à tração diminui de 200–250 MPa para 125–150 MPa. Os resultados da modelagem da distribuição de Weibull estão em excelente concordância com as observações reais. A única exceção é o pelo do cateto, que é altamente poroso. A resistência real do pelo do cateto é menor do que a prevista pela modelagem da distribuição de Weibull.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em и para ele.
Epílogo
A principal conclusão das observações acima é que cabelo grosso não é sinônimo de cabelo forte. No entanto, como os próprios cientistas afirmam, essa constatação não é uma descoberta revolucionária, visto que observações semelhantes já foram feitas em estudos com fios metálicos. Não se trata de física, mecânica ou biologia, mas sim de estatística: quanto maior o objeto, maior o potencial para defeitos.
Os cientistas acreditam que o trabalho que analisamos hoje ajudará seus colegas a criar novos materiais sintéticos. O principal problema é que, apesar dos avanços da tecnologia moderna, eles ainda não são capazes de criar algo comparável a pelos humanos ou de elefante. Afinal, criar algo tão pequeno já é um desafio por si só, quanto mais sua estrutura complexa.
Como podemos ver, este estudo demonstrou que a seda de aranha não só merece a atenção dos cientistas como inspiração para futuros materiais ultrarresistentes e ultraleves, como o cabelo humano também é capaz de surpreender com suas propriedades mecânicas e notável resistência.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal. 🙂
Alguns anúncios 🙂
Obrigado por ficar com a gente. Gostou dos nossos artigos? Quer ver mais conteúdos interessantes? Apoie-nos fazendo um pedido ou recomendando a amigos, , um análogo exclusivo de servidores básicos, que foi inventado por nós para você: (disponível com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x mais barato no data center Equinix Tier IV em Amsterdã? Só aqui na Holanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US$ 99! Ler sobre
Fonte: habr.com
