O cabelo para uma pessoa moderna nada mais é do que um elemento de autoidentificação visual, parte da imagem e da imagem. Apesar disso, essas formações córneas da pele desempenham diversas funções biológicas importantes: proteção, termorregulação, toque, etc. Quão forte é o nosso cabelo? Acontece que eles são muitas vezes mais fortes que o cabelo de um elefante ou de uma girafa.
Hoje conheceremos um estudo em que cientistas da Universidade da Califórnia (EUA) decidiram testar como a espessura e a força do cabelo se correlacionam em diferentes espécies animais, inclusive humanos. De quem é o cabelo mais forte, quais são as propriedades mecânicas dos diferentes tipos de cabelo e como esta pesquisa pode ajudar a desenvolver novos tipos de materiais? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Ir.
Base do estudo
O cabelo, constituído em grande parte pela proteína queratina, é a formação córnea da pele dos mamíferos. Na verdade, cabelo, lã e pele são sinônimos. A estrutura do cabelo consiste em placas de queratina que se sobrepõem, como dominós caindo umas sobre as outras. Cada cabelo possui três camadas: a cutícula é a camada externa e protetora; córtex - o córtex, constituído por células mortas alongadas (importante para a força e elasticidade do cabelo, determina sua cor devido à melanina) e a medula - a camada central do cabelo, composta por células moles de queratina e cavidades de ar, que é envolvido na transferência de nutrientes para outras camadas.
Se o cabelo for dividido verticalmente, obtemos uma seção subcutânea (haste) e uma seção subcutânea (bulbo ou raiz). O bulbo é circundado por um folículo, cuja forma determina o formato do próprio cabelo: um folículo redondo é reto, um folículo oval é levemente encaracolado, um folículo em forma de rim é encaracolado.
Muitos cientistas sugerem que a evolução humana está mudando devido ao progresso tecnológico. Ou seja, alguns órgãos e estruturas do nosso corpo tornam-se gradualmente rudimentares - aqueles que perderam a finalidade pretendida. Essas partes do corpo incluem dentes do siso, apêndice e pelos corporais. Em outras palavras, os cientistas acreditam que, com o tempo, essas estruturas simplesmente desaparecerão da nossa anatomia. É difícil dizer se isso é verdade ou não, mas para muitas pessoas comuns, os dentes do siso, por exemplo, estão associados à visita ao dentista para sua inevitável remoção.
Seja como for, uma pessoa precisa de cabelo; ele pode não desempenhar mais um papel vital na termorregulação, mas ainda é parte integrante da estética. O mesmo pode ser dito sobre a cultura mundial. Em muitos países, desde tempos imemoriais, o cabelo foi considerado a fonte de toda força, e cortá-lo foi associado a possíveis problemas de saúde e até fracassos na vida. O significado sagrado do cabelo migrou dos rituais xamânicos de tribos antigas para religiões mais modernas, obras de escritores, artistas e escultores. Em particular, a beleza feminina estava muitas vezes intimamente relacionada com a aparência ou a representação do cabelo de belas damas (por exemplo, em pinturas).
Observe como o cabelo de Vênus é retratado detalhadamente (Sandro Botticelli, “Nascimento de Vênus”, 1485).
Vamos deixar de lado o aspecto cultural e estético do cabelo e começar a considerar as pesquisas dos cientistas.
O cabelo, de uma forma ou de outra, está presente em muitas espécies de mamíferos. Se para os humanos eles não são mais tão importantes do ponto de vista biológico, então para outros representantes do mundo animal a lã e a pele são atributos vitais. Ao mesmo tempo, em termos de estrutura básica, o cabelo humano e, por exemplo, o cabelo de elefante são muito semelhantes, embora existam diferenças. O mais óbvio deles são as dimensões, porque o pêlo do elefante é muito mais grosso que o nosso, mas, como se viu, não é mais forte.
Os cientistas estudam cabelo e lã há algum tempo. Os resultados destes trabalhos foram implementados tanto na cosmetologia e na medicina, como na indústria ligeira (ou, como diria o conhecido Kalugina L.P.: “indústria ligeira”), ou mais precisamente nos têxteis. Além disso, o estudo dos cabelos ajudou muito no desenvolvimento de biomateriais à base de queratina, que no início do século passado aprenderam a isolar dos chifres dos animais com cal.
A queratina assim obtida foi utilizada para criar géis que poderiam ser fortalecidos pela adição de formaldeído. Mais tarde, aprenderam a isolar a queratina não só dos chifres dos animais, mas também dos pelos, bem como dos cabelos humanos. Substâncias à base de queratina têm sido utilizadas em cosméticos, compósitos e até mesmo em revestimentos de comprimidos.
Hoje em dia, a indústria de estudo e produção de materiais leves e duráveis está se desenvolvendo rapidamente. O cabelo, por ser natural, é um dos materiais naturais que inspira esse tipo de pesquisa. Considere a resistência à tração da lã e do cabelo humano, que varia de 200 a 260 MPa, o que equivale a uma resistência específica de 150-200 MPa/mg m-3. E isso é quase comparável ao aço (250 MPa/mg m-3).
O principal papel na formação das propriedades mecânicas do cabelo é desempenhado por sua estrutura hierárquica, que lembra uma boneca matryoshka. O elemento mais importante desta estrutura é o córtex interno das células corticais (diâmetro cerca de 5 μm e comprimento 100 μm), consistindo de macrofibrilas agrupadas (diâmetro cerca de 0.2-0.4 μm), que, por sua vez, consistem em filamentos intermediários (7.5 nm de diâmetro), incorporado em uma matriz amorfa.
As propriedades mecânicas do cabelo, sua sensibilidade à temperatura, umidade e deformação são resultado direto da interação dos componentes amorfos e cristalinos do córtex. As fibras de queratina do córtex do cabelo humano normalmente apresentam alto alongamento, com uma tensão de tração superior a 40%.
Um valor tão alto se deve ao desenrolar da estrutura а-queratina e, em alguns casos, sua transformação em b-queratina, que leva a um aumento no comprimento (uma volta completa de uma hélice de 0.52 nm é esticada para 1.2 nm na configuração b). Esta é uma das principais razões pelas quais muitos estudos se concentraram especificamente na queratina para recriá-la de forma sintética. Mas a camada externa do cabelo (cutícula), como já sabemos, consiste em placas (0.3–0.5 mícron de espessura e 40–60 mícron de comprimento).
Anteriormente, os cientistas já realizaram pesquisas sobre as propriedades mecânicas dos cabelos de pessoas de diferentes idades e grupos étnicos. Neste trabalho, a ênfase foi colocada no estudo das diferenças nas propriedades mecânicas dos pelos de diferentes espécies animais, nomeadamente: humanos, cavalos, ursos, javalis, capivaras, queixadas, girafas e elefantes.
Resultados do estudo
Imagem nº 1: Morfologia do cabelo humano (А - cutícula; В - fratura do córtex; mostrando as extremidades das fibras, С — a superfície da falha, onde são visíveis três camadas; D - superfície lateral do córtex, mostrando alongamento das fibras).
Um cabelo humano adulto tem cerca de 80-100 mícrons de diâmetro. Com cuidados normais com os cabelos, sua aparência é bastante holística (1А). O componente interno do cabelo humano é o córtex fibroso. Após testes de tração, descobriu-se que a cutícula e o córtex do cabelo humano quebraram de maneira diferente: a cutícula normalmente quebrou de forma abrasiva (amassada) e as fibras de queratina no córtex foram descascadas e arrancadas da estrutura geral (1V).
Na foto 1S a superfície frágil da cutícula é claramente visível com a visualização das camadas, que são placas de cutícula sobrepostas e têm espessura de 350–400 nm. A delaminação observada na superfície da fratura, bem como a natureza frágil desta superfície, indica fraca comunicação interfacial entre a cutícula e o córtex, e entre as fibras dentro do córtex.
As fibras de queratina no córtex foram esfoliadas (1D). Isto sugere que o córtex fibroso é o principal responsável pela resistência mecânica do cabelo.
Imagem nº 2: Morfologia da crina de cavalo (А - cutícula, algumas placas ligeiramente desviadas por falta de cuidado; В - aparecimento da ruptura; С — detalhes da ruptura do córtex, onde é visível a cutícula rasgada; D - detalhes da cutícula).
A estrutura do cabelo de cavalo é semelhante ao cabelo humano, exceto pelo diâmetro, que é 50% maior (150 mícrons). Na foto 2А Você pode ver danos óbvios na cutícula, onde muitas das placas não estão tão intimamente conectadas à haste como estavam no cabelo humano. O local da ruptura da crina contém uma ruptura normal e uma ruptura do cabelo (delaminação das placas da cutícula). Sobre 2V Ambos os tipos de danos são visíveis. Nas áreas onde as lamelas foram completamente arrancadas, a interface entre a cutícula e o córtex é visível (2S). Várias fibras foram rasgadas e delaminadas na interface. Comparando estas observações com observações anteriores (cabelo humano), tais falhas indicam que o cabelo de cavalo não sofreu tanto estresse quanto o cabelo humano quando as fibras do córtex foram arrancadas e completamente separadas da cutícula. Também pode ser observado que algumas placas se soltaram da haste, o que pode ser devido à tensão de tração (2D).
Imagem nº 3: Morfologia do cabelo do urso (А - cutícula; В — danos em dois pontos associados à área de ruptura; С — fissuração da cutícula com delaminação das fibras do córtex; D - detalhes da estrutura da fibra, são visíveis várias fibras alongadas da estrutura geral).
A espessura do pêlo de um urso é de 80 mícrons. As placas de cutícula estão extremamente firmemente unidas umas às outras (3А), e em algumas áreas é até difícil distinguir placas individuais. Isso pode ser devido ao atrito dos cabelos contra os vizinhos. Sob tensão de tração, esses cabelos literalmente se partem com o aparecimento de longas fissuras (inseridas 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 provoca uma ruptura na cutícula, como evidenciado pelo padrão em zigue-zague da ruptura (3S). Essa tensão faz com que algumas fibras sejam puxadas para fora do córtex (3D).
Imagem nº 4: morfologia do cabelo de javali (А - fratura plana comum; В — a estrutura da cutícula demonstra um mau estado de integridade (agrupamento) das placas; С — detalhes da lacuna na interface entre a cutícula e o córtex; D - fibras alongadas da massa total e fibrilas salientes).
O pêlo de javali é bastante espesso (230 mm), especialmente em comparação com o pêlo de urso. O rasgo do cabelo de javali quando danificado parece bastante claro (4А) perpendicular à direção da tensão de tração.
Placas de cutícula expostas relativamente pequenas 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; também é claro que elas estavam fortemente conectadas entre si dentro do córtex (4S). Apenas as fibras na interface entre o córtex e a cutícula foram expostas devido à separação.4D), que revelou a presença de fibrilas corticais espessas (250 nm de diâmetro). Algumas das fibrilas projetavam-se ligeiramente devido à deformação. Eles deveriam servir como um agente fortalecedor para o cabelo do javali.
Imagem nº 5: Morfologia do cabelo do elefante (А - С) e girafa (D - F). А - cutícula; В - quebra de cabelo gradual; С - vazios dentro do cabelo indicam onde as fibras foram arrancadas. D - placas cuticulares; Е - até quebra de cabelo; F - fibras arrancadas da superfície na área da fratura.
O cabelo de um elefante bebê pode ter cerca de 330 mícrons de espessura e, em um adulto, pode atingir 1.5 mm. As placas na superfície são difíceis de distinguir (5А).O cabelo de elefante também é propenso a quebras normais, ou seja, à fratura por tração pura. Além disso, a morfologia da superfície de fratura mostra uma aparência escalonada (5V), possivelmente devido à presença de pequenos defeitos no córtex capilar. Alguns pequenos buracos também podem ser vistos na superfície da fratura, onde as fibrilas de reforço provavelmente estavam localizadas antes do dano.5S).
O cabelo da girafa também é bastante grosso (370 mícrons), embora a disposição das placas cuticulares não seja tão clara (5D). Acredita-se que isso se deva aos danos causados por diversos fatores ambientais (por exemplo, atrito contra árvores durante a alimentação). Apesar das diferenças, a quebra do cabelo da girafa era semelhante à do elefante (5F).
Imagem nº 6: morfologia do cabelo da capivara (А - dupla estrutura cuticular das placas; В — ruptura da estrutura dupla; С — as fibras próximas ao limite de ruptura parecem quebradiças e rígidas; D - fibras alongadas da zona de ruptura da estrutura dupla).
O pelo das capivaras e dos queixadas é diferente de todos os outros pelos estudados. Na capivara, a principal diferença é a presença de configuração de cutícula dupla e formato oval do cabelo (6А). O sulco entre as duas partes espelhadas do pelo é necessário para retirar mais rapidamente a água do pelo do animal, bem como para melhor ventilação, o que permite que ele seque mais rapidamente. Quando exposto ao alongamento, o cabelo é dividido em duas partes ao longo do sulco, e cada parte é destruída (6V). Muitas fibras do córtex são separadas e esticadas (6S и 6D).
Imagem #7: Morfologia do cabelo do queixada (А - estrutura da cutícula e local de ruptura; В — morfologia da destruição do córtex e detalhes da sua estrutura; С — células fechadas (20 mícrons de diâmetro), cujas paredes são constituídas por fibras; D - paredes celulares).
Os queixadas (família Tayassuidae, ou seja queixada) o cabelo tem córtex poroso e a camada de cutícula não possui placas distintas (7А). O córtex capilar contém células fechadas medindo 10-30 mícrons (7V), cujas paredes são constituídas por fibras de queratina (7S). Essas paredes são bastante porosas e o tamanho de um poro é de cerca de 0.5 a 3 mícrons (7D).
Como visto na foto 7А, sem o apoio do córtex fibroso, a cutícula racha ao longo da linha de ruptura e as fibras são arrancadas em alguns lugares. Essa estrutura capilar é necessária para deixar os pelos mais verticais, aumentando visualmente o tamanho do animal, o que pode ser um mecanismo de defesa do caititu. O cabelo de queixada resiste muito bem à compressão, mas não suporta o alongamento.
Tendo compreendido as características estruturais dos pêlos de diferentes animais, bem como seus tipos de danos por tensão, os cientistas começaram a descrever as propriedades mecânicas.
Imagem nº 8: diagrama de deformação para cada tipo de cabelo e diagrama da configuração experimental para obtenção de dados (taxa de deformação 10-2 s-1).
Como pode ser visto no gráfico acima, a resposta ao estiramento do cabelo de diferentes espécies animais foi bastante diferente. Assim, o cabelo de uma pessoa, de um cavalo, de um javali e de um urso apresentou uma reação semelhante à reação da lã (não de outra pessoa, mas de um material têxtil).
Com um módulo de elasticidade relativamente alto de 3.5–5 GPa, as curvas consistem em uma região linear (elástica), seguida por um platô com tensão crescente lentamente até uma deformação de 0.20–0.25, após a qual a taxa de endurecimento aumenta significativamente até um deformação de falha de 0.40. A área do planalto refere-se ao desenrolar а-estrutura helicoidal dos filamentos intermediários de queratina, que em alguns casos pode (parcialmente) transformar-se em b-folhas (estruturas planas). O desenrolamento completo leva a uma deformação de 1.31, que é significativamente maior do que no final desta etapa (0.20–0.25).
A parte cristalina da estrutura, semelhante a um fio, é cercada por uma matriz amorfa que não se transforma. A parte amorfa representa cerca de 55% do volume total, mas somente se o diâmetro dos filamentos intermediários for de 7 nm e eles estiverem separados por 2 nm de material amorfo. Esses indicadores precisos foram obtidos em estudos anteriores.
Durante o estágio de endurecimento da deformação, o deslizamento ocorre entre as fibras corticais, bem como entre elementos estruturais menores, como microfibrilas, filamentos intermediários e a matriz amorfa.
Os pêlos de girafas, elefantes e queixadas exibem uma resposta de endurecimento relativamente linear, sem distinção clara entre planaltos e regiões de endurecimento rápido (picos). O módulo de elasticidade é relativamente baixo e é de cerca de 2 GPa.
Ao contrário de outras espécies, o cabelo da capivara apresenta uma resposta caracterizada pelo rápido endurecimento quando tensões sucessivas são aplicadas. Essa observação está associada à estrutura incomum do cabelo da capivara, ou mais precisamente à presença de duas partes simétricas e um sulco longitudinal entre elas.
Estudos anteriores já foram realizados que indicam que o módulo de Young (módulo de elasticidade longitudinal) diminui com o aumento do diâmetro do cabelo em diferentes espécies animais. Esses trabalhos observaram que o módulo de juventude do caititu é significativamente menor que o de outros animais, o que pode ser devido à porosidade de sua estrutura capilar.
Também é curioso que os queixadas tenham áreas pretas e brancas nos pelos (bicolores). As rupturas por tração ocorrem com mais frequência na área branca do cabelo. O aumento da resistência da área preta se deve à presença de melanossomas, encontrados exclusivamente nos cabelos pretos.
Todas estas observações são verdadeiramente únicas, mas a questão principal permanece: as dimensões do cabelo desempenham um papel na sua força?
Se descrevermos os pelos em mamíferos, podemos destacar os principais fatos que são conhecidos pelos pesquisadores:
- na maioria dos tipos de cabelo é mais grosso na parte central e afunila na ponta; A pelagem dos animais selvagens é mais espessa devido ao seu habitat;
- Variações no diâmetro dos pelos de uma espécie indicam que a espessura da maioria dos pelos varia dentro da faixa geral de espessura para uma determinada espécie animal. A espessura dos pelos pode diferir entre diferentes representantes da mesma espécie, mas o que influencia essa diferença ainda é desconhecido;
- Diferentes espécies de mamíferos têm diferentes espessuras de cabelo (por mais clichê que possa parecer).
Ao resumir estes factos publicamente disponíveis e os dados obtidos durante as experiências, os cientistas foram capazes de comparar todos os resultados para formar relações entre a espessura do cabelo e a sua resistência.
Imagem nº 9: a relação entre a espessura do cabelo e sua resistência em diferentes espécies animais.
Devido às diferenças no diâmetro e na extensibilidade do cabelo, os cientistas decidiram ver se as suas tensões de tração poderiam ser previstas com base nas estatísticas de Weibull, que podem explicar especificamente as diferenças no tamanho da amostra e no tamanho do defeito resultante.
Supõe-se que um segmento de cabelo com volume V состоит из n elementos de volume e cada unidade de volume V0 tem uma distribuição semelhante de defeitos. Usando a suposição do elo mais fraco, em um determinado nível de tensão σ probabilidade P mantendo a integridade de um determinado segmento de cabelo com volume V pode ser expresso como o produto de probabilidades adicionais de manutenção da 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 V0. À medida que a tensão aumenta P(V) diminui naturalmente.
Usando uma distribuição Weibull de dois parâmetros, a probabilidade de falha 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 (referência), e m — Módulo de Weibull, que é uma medida da variabilidade das propriedades. Vale a pena notar que a probabilidade de destruição aumenta com o aumento do tamanho da amostra V em tensão constante σ.
No gráfico 9А A distribuição Weibull das tensões de falha experimentais para cabelos humanos e de capivara é mostrada. As curvas para outras espécies foram previstas usando a fórmula #2 com o mesmo valor de m que para o cabelo humano (m = 0.11).
Os diâmetros médios utilizados foram: javali - 235 µm, cavalo - 200 µm, queixada - 300 µm, urso - 70 µm, pêlo 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 falha diminui com o aumento do diâmetro do cabelo entre as espécies.
No gráfico 9V mostra tensões de ruptura previstas com 50% de probabilidade de falha (P(V) = 0.5) e a tensão de ruptura experimental média para diferentes espécies.
Torna-se claro que à medida que o diâmetro do cabelo aumenta de 100 para 350 mm, a sua tensão de ruptura diminui de 200-250 MPa para 125-150 MPa. Os resultados da simulação da distribuição Weibull estão em excelente concordância com os resultados reais da observação. A única exceção são os pêlos de queixada, pois são extremamente porosos. A resistência real do pêlo do caititu é inferior à mostrada pela modelagem de distribuição 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 equivale a cabelo forte. É verdade que, como dizem os próprios cientistas, esta afirmação não é uma descoberta do milênio, uma vez que observações semelhantes foram feitas no estudo de fios metálicos. A questão aqui não está nem na física, na mecânica ou na biologia, mas na estatística - quanto maior o objeto, maior a possibilidade de defeitos.
Os cientistas acreditam que o trabalho que analisamos hoje ajudará os seus colegas a criar novos materiais sintéticos. O principal problema é que, apesar do desenvolvimento das tecnologias modernas, elas ainda não são capazes de criar algo como cabelo humano ou de elefante. Afinal, criar algo tão pequeno já é um desafio, sem falar na sua estrutura complexa.
Como podemos ver, este estudo mostrou que não apenas a seda da aranha merece a atenção dos cientistas como inspiração para futuros materiais ultrafortes e ultraleves, mas também o cabelo humano pode surpreender com suas propriedades mecânicas e incrível resistência.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal. 🙂
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Fonte: habr.com