Părul pentru omul modern nu este mai mult decât un element de autoidentificare vizuală, parte a imaginii și a stilului personal. Cu toate acestea, aceste structuri tegumentare cornoase au câteva funcții biologice importante: protecție, termoreglare, sensibilitate etc. Cât de rezistente sunt oare firele noastre de păr? Se pare că ele sunt de câteva ori mai rezistente decât părul de elefant sau girafă.
Astăzi ne vom familiariza cu un studiu în care cercetătorii de la Universitatea Californiei (SUA) au decis să verifice cum corelează grosimea firului de păr și rezistența acestuia la diferite specii de animale, inclusiv la om. Ale cui fire de păr s-au dovedit a fi cele mai rezistente, ce proprietăți mecanice au părul diferitelor specii și cum acest studiu poate ajuta la dezvoltarea de noi tipuri de materiale? Vom afla din raportul cercetătorilor. Să începem.
Baza cercetării
Părul, care este compus în mare parte din proteină keratină, reprezintă structuri tegumentare cornoase ale mamiferelor. De fapt, părul, blana și firul de păr sunt sinonime. Din punct de vedere structural, firul de păr este format din plăci de keratină care se suprapun, asemenea pieselor de domino căzute una peste alta. Fiecare fir de păr are trei straturi: cuticula — stratul exterior și protector; cortexul — substanța corticală, formată din celule moarte alungite (importantă pentru rezistența și elasticitatea părului, determină culoarea sa prin melanina) și substanța medulară — stratul central al firului de păr, care este format din celule moi de keratină și cavități de aer, participând la transferul nutrienților către celelalte straturi.
Dacă împărțim firul de păr vertical, vom obține o parte supracutanată (tija) și una subcutanată (bulbul sau rădăcina). Bulbul este înconjurat de un folicul, a cărui formă determină și forma firului de păr: folicul rotund — drept, folicul oval — ușor ondulat, folicul în formă de mugure — creț.
Mulți oameni de știință sugerează că, datorită progresului tehnologic, evoluția umană se schimbă. Asta înseamnă că anumite organe și structuri din corpul nostru devin treptat rudimentare - adică, au pierdut scopul lor inițial. Printre aceste părți ale corpului se numără măselele de minte, apendicele și părul de pe corp. Cu alte cuvinte, oamenii de știință cred că, în timp, aceste structuri vor dispărea din anatomia noastră. Dacă este sau nu adevărat, este greu de spus, dar pentru mulți dintre oameni, măselele de minte, de exemplu, sunt asociate cu o vizită la dentist pentru extragerea lor inevitabilă.
Oricum ar fi, părul este necesar pentru om; poate că acum nu mai joacă un rol esențial în termoregulare, dar în estetică este încă o parte indispensabilă. Același lucru se poate spune și despre cultura mondială. În multe țări, din vremuri imemoriale, părul a fost considerat sursa întregii puteri, iar tăierea acestuia era legată de posibile probleme de sănătate și chiar de eșecuri în viață. Semnificația sacră a părului a trecut de la ritualele șamanice ale triburilor antice la religii mai moderne, lucrări ale scriitorilor, artiștilor și sculptorilor. În special, frumusețea feminină a fost adesea strâns legată de modul în care arătau sau erau reprezentate (de exemplu, în picturi) părul doamnelor dragă.
Observați cât de detaliat este reprezentat părul Venerei (Sandro Botticelli, „Nașterea Venerei”, 1485).
Să lăsăm deoparte aspectul cultural și estetic al părului și să ne concentrăm pe cercetarea oamenilor de știință.
Părul, într-o formă sau alta, se găsește la multe specii de mamifere. Dacă pentru oameni el nu mai este atât de important din punct de vedere biologic, pentru altele dintre reprezentanții lumii animale, blana și părul sunt atribute esențiale pentru viață. De asemenea, din punct de vedere structural, părul omului și, de exemplu, al elefantului, sunt foarte asemănătoare, deși există și diferențe. Cea mai evidentă dintre acestea este dimensiunea, căci părul elefantului este mult mai gros decât al nostru, dar, așa cum s-a dovedit, nu este mai puternic.
Cercetările asupra părului și blănii au fost efectuate de mult timp. Rezultatele acestor studii au fost aplicate atât în cosmetologie și medicină, cât și în industria ușoară (sau, așa cum ar spune binecunoscuta Kalugina L.P.: „industria ușoară”), mai exact în cea textilă. În plus, studiul părului a ajutat semnificativ în dezvoltarea biomaterialelor pe bază de keratină, care încă de la începutul secolului trecut au fost extrase din coarnele animalelor cu ajutorul varului.
Keratina obținută în acest mod a fost utilizată pentru a crea geluri, care puteau fi întărite prin adăugarea de formaldehidă. Ulterior, au învățat să extragă keratină nu doar din coarnele animalelor, ci și din blana acestora, precum și din părul uman. Substanțele create pe baza keratinei au găsit aplicabilitate în cosmetică, compozite și chiar în acoperirea tabletelor.
În zilele noastre, se dezvoltă rapid sectorul studiului și producției de materiale rezistente și ușoare. Părul, fiind astfel de material prin natura sa, reprezintă unul dintre materialele naturale care inspiră astfel de cercetări. Ce mai contează limita de rezistență la tracțiune a blănii și părului uman, care variază între 200 și 260 MPa, echivalentă cu o rezistență specifică de 150-200 MPa / mg m-3. Iar aceasta este practic comparabilă cu oțelul (250 MPa / mg m-3).
Structura ierarhică a firului de păr joacă un rol principal în formarea proprietăților mecanice, amintind de o matriță rusească. Elementul cel mai important al acestei structuri este cortexul intern format din celule corticale (diametru de aproximativ 5 μm și lungime de 100 μm), compus din macrofibrile grupate (diametru de aproximativ 0.2-0.4 μm), care, la rândul lor, sunt formate din filamente intermediare (7.5 nm în diametru), integrate într-o matrice amorfă.
Proprietățile mecanice ale părului, sensibilitatea acestuia la temperatură, umiditate și deformare sunt rezultatul direct al interacțiunii componentelor amorfe și cristaline ale cortexului. Fibrele de keratină ale părului uman au, de obicei, o extensibilitate mare, cu o deformare la rupere de peste 40%.
Această valoare ridicată este determinată de desfășurarea structurii și-keratinei și, în unele cazuri, transformarea acesteia în b-keratină, ceea ce duce la o creștere a lungimii (o rotație completă a spiralei de 0.52 nm se întinde până la 1.2 nm în configurație. b). Aceasta este și una dintre principalele motive pentru care multe cercetări s-au concentrat pe keratină, pentru a o recrea sub formă sintetică. Iar stratul exterior al părului (cutiicula), așa cum știm deja, este format din plăci (cu o grosime de 0,3–0,5 μm și 40–60 μm în lungime).
Anterior, cercetătorii au efectuat deja studii privind proprietățile mecanice ale părului la oameni din diferite grupuri de vârstă și etnice. În această lucrare, accentul a fost pus pe studierea diferențelor în proprietățile mecanice ale părului la diferite specii de animale, și anume: om, cal, urs, mistreț, capibara, pecari, girafă și elefant.
Rezultatele cercetării
Imaginea Nr. 1: morfologia părului uman (Un — cuticula; În — ruptura cortexului; arătând capetele fibrelor, Cu — suprafața rupturii, vizibilă trei straturi; D — suprafața laterală a cortexului, arătând întinderea fibrei).
Părul unui adult are un diametru de aproximativ 80-100 μm. Cu o îngrijire normală, aspectul acestuia este relativ uniform (1A). Componenta internă a părului uman este cortexul fibros. După testarea la tracțiune, s-a constatat că cuticula și cortexul părului uman se rupeau diferit: cuticula se rupea de obicei prin abraziune (se sfărâma), iar fibrele de keratină din cortex erau desprinse și întinse din structura generală (1B).
În imagine 1C se poate observa clar suprafața fragilă a cuticulei cu vizualizarea straturilor, care sunt plăci suprapuse și au o grosime de 350–400 nm. Delaminarea observată la suprafața distrugerii, precum și natura fragilă a acestei suprafețe, indică o legătură interfațială slabă între cuticulă și cortex, precum și între fibrele din interiorul cortexului.
Fibrele de keratină din cortex au fost delaminate (1D). Aceasta sugerează că cortexul fibros este responsabil în principal pentru rezistența mecanică a părului.
Imaginea Nr. 2: morfologia părului de cal (Un — cuticula, unele plăci fiind ușor deviate din cauza lipsei de îngrijire; În — aspectul ruperii; Cu — detalii ale ruperii cortexului, unde se vede cuticula ruptă; D — detalii ale cuticulei).
Structura părului de cal este similară cu cea umană, cu excepția diametrului, care este cu 50% mai mare (150 μm). În imagine 2A se pot observa daune evidente ale cuticulei, unde multe plăci nu sunt atât de strâns legate de tijă, cum se întâmplă în cazul părului uman. Locul unde se rupe părul de cal conține atât o ruptură obișnuită, cât și o fisură a părului (desfacerea plăcilor cuticulare). Pe 2B se observă ambele tipuri de daune. În zonele unde plăcile s-au desprins complet, se vede interfața dintre cuticulă și cortex (2С). Mai multe fibre au fost smulse și s-au despicat în zona interfeței. Comparând aceste observații cu cele anterioare (părul uman), daunele similare indică faptul că părul de cal nu a fost supus unei tensiuni atât de mari ca părul uman, atunci când fibrele din cortex au fost extinse și complet desprinse de cuticulă. De asemenea, se observă că unele plăci s-au deconectat de tijă, ceea ce poate fi legat de tensiunea de întindere (2D).
Imaginea nr. 3: morfologia părului de urs (Un — cuticula; În — daune în două puncte legate de zona de ruptură; Cu — crăparea cuticulei cu despicarea fibrelor în cortex; D — detalii ale structurii fibrelor, fiind vizibile mai multe fibre extinse din structura generală).
Grosimea părului de urs este de 80 μm. Plăcile cuticulei sunt extrem de strâns atașate una de alta (3А), iar în unele zone este chiar dificil să se distinge plăcile separate. Acest lucru poate fi legat de frecarea părului de cele adiacente. În condiții de tensiune de întindere, aceste fire se despicau literalmente, având mari crăpături (inserția pe 3B), ceea ce indică faptul că, în cazul unui efect de legătură slab al cuticulei deteriorate, fibrele de keratină din cortex se despicau cu ușurință. Despicarea cortexului cauzează o ruptură pe cuticulă, ceea ce este confirmat de modelul zigzag al rupturii (3С). Această tensiune duce la extinderea unor fibre din cortex (3D).
Imaginea nr. 4: morfologia părului de mistreț (Un — o ruptură plată obișnuită a părului; În — structura cuticulei demonstrează o stare proastă de integritate (agregare) a plăcilor; Cu — detalii ale rupturii la interfața dintre cuticulă și cortex; D — fibre extinse din masa generală și fibrile protruzionate).
Părul de mistreț este destul de gros (230 mm), mai ales în comparație cu cel de urs. Ruptura părului de mistreț în cazul unei deteriorări este destul de evidentă (4A) perpendicular direcției tensiunii la întindere.
Plăcile fragile ale cuticulei, relativ mici, au fost rupte de la corpul principal al părului din cauza întinderii marginilor (4B).
Pe suprafața zonei de distrugere se observă clar delaminarea fibrelor, de asemenea, este vizibil că acestea au fost foarte strâns legate între ele în interiorul cortexului (4C). Doar fibrele de la interfața dintre cortex și cuticulă au fost expuse din cauza separării (4D), ceea ce a dezvăluit prezența fibrilelor groase de cortex (250 nm în diametru). Unele dintre fibrile au ieșit ușor în afară din cauza deformării. Se presupune că acestea servesc ca întărire pentru părul de mistreț.
Imaginea nr. 5: morfologia părului de elefant (Un — Cu) și de girafă (D — F). Un — cuticula; În — ruperea pașnică a firului de păr; Cu — golurile din interiorul firului indică locul unde au fost smulse fibrele. D — plăci cuticulare; E — ruperea uniformă a firului de păr; F — fibrele smulse de pe suprafață în zona rupturii.
Părul puiului de elefant poate avea o grosime de aproximativ 330 µm, iar cel al adultului poate atinge 1.5 mm. Plăcile de pe suprafață sunt greu de distins (5A). Părul de elefant este, de asemenea, predispus la distrugerea normală, adică la rupturi curate în timpul întinderii. De asemenea, morfologia suprafeței de distrugere prezintă un aspect în trepte (5B), posibil din cauza prezenței unor defecte minore în cortexul părului. Pe suprafața rupturii se pot observa și câteva mici găuri, unde, înainte de deteriorare, probabil se aflau fibrile de întărire (5C).
Părul de girafă este de asemenea destul de gros (370 µm), deși aranjamentul plăcilor cuticulare nu este atât de clar (5D). Se consideră că acest lucru este cauzat de deteriorarea lor din diverse factori de mediu (de exemplu, frecarea de copaci în timpul hrăniri). În ciuda diferențelor, ruptura părului de girafă a fost similară cu cea a elefantului (5F).
Imaginea nr. 6: morfologia părului de capibara (Un — structura dublă a plăcilor cuticulare; În — ruptura structurii duble; Cu — fibrele de lângă limita rupturii par fragile și rigide; D — fibrele extinse din zona rupturii structurii duble).
Părul de capibara și de pekari se deosebește de toate celelalte fire de păr studiate. La capibara, caracteristica principală este prezența unei configurații duble a cuticulei și forma ovală a părului (6A). Creasta dintre cele două părți simetrice ale firului de păr este necesară pentru a facilita îndepărtarea mai rapidă a apei din blana animalului, precum și pentru o ventilație mai bună, ceea ce permite o uscare mai rapidă. Atunci când este supusă întinderii, firul se împarte în două părți de-a lungul crestei, iar fiecare dintre acestea se distruge (6B). Multe fibre ale cortexului se desfac și se întind (6C și 6D).
Imaginea nr. 7: morfologia firului de păr al pécarului (Un — structura cuticulei și locul rupturii; În — morfologia distrugerii cortexului și detalii ale structurii acestuia; Cu — celule închise (20 µm în diametru), a căror pereți sunt alcătuiți din fibre; D — pereții celulelor).
La pécar (familia Tayassuidae, adică pécarii) firul de păr are un cortex poros, iar stratul de cuticulă nu prezintă plăci clare (7A). Cortexul firului de păr conține celule închise cu dimensiuni de 10-30 µm (7B), pereții cărora sunt alcătuiți din fibre de keratină (7C). Acești pereți sunt destul de poroși, iar dimensiunea unei pori este de aproximativ 0.5-3 µm (7D).
După cum se poate observa în fotografie 7A, fără suportul cortexului fibros, cuticula se crapă de-a lungul liniei de ruptură, iar fibrele se întind în anumite locuri. O astfel de structură a firului de păr este necesară pentru ca firele să fie mai verticale, mărind vizual dimensiunea animalului, ceea ce poate reprezenta un mecanism de apărare pentru pécar. Firele de păr ale pécarului sunt destul de rezistente la compresiune, dar nu fac față întinderii.
După ce au analizat trăsăturile structurale ale firului de păr la diferite animale, precum și tipurile de daune cauzate de întindere, cercetătorii au început să descrie proprietățile mecanice.
Imaginea nr. 8: diagramele de deformare pentru fiecare tip de fir de păr și schema instalatiei experimentale pentru obținerea datelor (viteza de deformare 10-2 s-1).
După cum se poate observa din graficul de mai sus, reacția la întindere a firelor de par de diferite specii de animale a fost suficient de diferită. Așadar, firele de păr ale omului, ale calului, ale mistrețului și ale ursului au arătat o reacție similară cu reacția lânului (nu a unei specii, ci a unui material textil).
Cu un modul de elasticitate relativ mare, de 3.5–5 GPa, curbele constau dintr-o zonă liniară (elastică), urmată de un platou cu o creștere lentă a tensiunii până la o deformare de 0.20–0.25, după care viteza de întărire crește semnificativ până la deformarea de rupere de 0.40. Zona platoului se referă la desfășurare. și-structură spiralată de filamente intermediare de cheratină, care în unele cazuri pot (parțial) să se transforme în b-foi (structuri plate). Desfășurarea completă însă duce la deformarea 1.31, care este semnificativ mai mare decât la sfârșitul acestei etape (0.20–0.25).
Partea cristalină și filamentară a structurii este înconjurată de o matrice amorfă, care nu se transformă. Partea amorfă reprezintă aproximativ 55% din volumul total, dar numai cu condiția ca diametrul fibrelor intermediare să fie de 7 nm și că acestea să fie separate de materialul amorf prin 2 nm. Aceste valori precise au fost deduse din cercetări anterioare.
În stadiul de deformare, caracterizat prin întărire, are loc alunecarea între fibrele corticale, precum și între elementele structurale mai mici, cum ar fi microfibrilele, firele intermediare și matricea amorfă.
Părul girafelor, elefanților și pecarilor demonstrează o reacție relativ liniară de întărire fără o distincție clară între platouri și zone de întărire rapidă (vârfuri). Modulul de elasticitate este relativ scăzut, fiind de aproximativ 2 GPa.
Spre deosebire de alte specii, părul capibarei prezintă o reacție caracterizată prin întărire rapidă, asupra căreia se suprapun tensiuni succesive. Această observație este legată de structura neobișnuită a părului capibarei, mai precis de prezența a două părți simetrice și a unei fante longitudinale între ele.
Au fost deja efectuate cercetări care indicau că modulul Young (modulul elastic longitudinal) scade odată cu creșterea diametrului părului la diferite specii de animale. Aceste lucrări au menționat că modulul Young al pecarului este semnificativ mai scăzut decât la alte animale, ceea ce ar putea fi legat de porozitatea structurii părului său.
Este interesant de menționat că la pecar există atât zone negre cât și albe pe păr (bicoloritate). Rupturile la întindere apar cel mai frecvent în zona albă a părului. Rezistența crescută a zonei negre este explicată prin prezența melanozomilor, care se găsesc exclusiv în părul negru.
Toate aceste observații sunt cu adevărat unice, dar rămâne întrebarea principală — joacă dimensiunile părului un rol în rezistența sa?
Dacă ar fi să descriem părul la mamifere, putem evidenția principalele fapte cunoscute cercetătorilor:
- la majoritatea speciilor, părul este mai gros în partea centrală și se subțiază spre vârf; blana animalelor sălbatice este mai groasă datorită mediului lor de habitat;
- modificările diametrului firelor de păr ale aceleași specii arată că grosimea majorității firelor de păr variind în limitele unei anumite game de grosime pentru această specie animală. Grosimea firelor de păr poate diferi între diferitele exemplare ale aceleași specii, dar ceea ce influențează această diferență rămâne necunoscut;
- la diferite specii de mamifere, grosimea firelor de păr este diferită (oricât de banal ar suna).
Sumând aceste fapte accesibile și datele obținute din experimente, cercetătorii au reușit să coreleze toate rezultatele pentru a forma dependențele grosimii părului și a rezistenței sale.
Imaginile №9: relația dintre grosimea părului și rezistența acestuia la diferite specii de animale.
Datorită diferențelor în diametru și elasticitatea firelor de păr, cercetătorii au decis să investigate dacă pot prezice tensiunea la rupere pe baza statisticii Weibull, care poate lua în considerare în mod specific diferențele de dimensiune a mostrelor și dimensiunea rezultantă a defectului.
Se presupune că segmentul de păr cu volum V constă din n elemente de volum, fiecare volum individual V0 având o distribuție similară a defectelor. Utilizând presupunerea despre cel mai slab verigă, la un anumit nivel de tensiune σ probabilitatea P menținerii integrității acestui segment de păr cu volum V poate fi exprimată ca produsul probabilităților suplimentare de menținere a integrității fiecărui element de volum, și anume:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
unde volumul V conține n elemente de volum. V0. Pe măsură ce tensiunea crește, P(V) se reduce în mod natural.
Folosind distribuția Weibull cu două parametri, probabilitatea distrugerii întregului volum poate fi exprimată astfel:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
unde σ — tensiunea aplicată, σ0 — rezistența caracteristică (de referință), iar m — parametrul Weibull, care este o măsură a variabilității proprietăților. Este de remarcat că probabilitatea distrugerii crește odată cu creșterea volumului probei V la o tensiune constantă. σ.
În graficul 9A A fost prezentată distribuția Weibull a tensiunilor de rupere experimentale pentru părul uman și al capibarei. Curbele pentru alte specii au fost prezise folosind formula nr. 2, cu aceeași valoare m ca pentru părul uman (m = 0.11).
Ca medie a diametrului au fost utilizate următoarele: mistreț — 235 µm, cal — 200 µm, porc spinos — 300 µm, urs — 70 µm, păr de elefant — 345 µm și girafă — 370 µm.
Având în vedere că tensiunea de rupere poate fi definită prin P(V) = 0.5, aceste rezultate arată că tensiunea de rupere scade odată cu creșterea diametrului părului la diferite specii.
În graficul 9В sunt prezentate tensiunile de rupere prezise la o probabilitate de 50% de rupere (P(V) = 0.5) și tensiunea medie experimentală de rupere pentru diferite specii.
Devine clar că, pe măsură ce diametrul părului crește de la 100 la 350 mm, tensiunea sa de rupere scade de la 200–250 MPa la 125–150 MPa. Rezultatele simulării pe baza distribuției Weibull se potrivesc perfect cu rezultatele observațiilor reale. Singura excepție o constituie părul de porc spinos, care este extrem de poros. Rezistența reală a părului de porc spinos este mai mică decât cea prezisă prin simularea distribuției Weibull.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
Principala concluzie a observațiilor de mai sus este că părul gros nu este echivalent cu puterea. Adevărul este că, după cum spun chiar oamenii de știință, această afirmație nu este o descoperire a mileniului, deoarece observații similare au fost făcute și în studii asupra sârmei metalice. Aici nu este vorba chiar de fizică, mecanică sau biologie, ci de statistică — cu cât obiectul este mai mare, cu atât există mai mult spațiu pentru defecte.
Oamenii de știință cred că cercetarea pe care am discutat-o astăzi va ajuta colegii lor să dezvolte noi materiale sintetice. Problema principală este că, în ciuda avansului tehnologic modern, acestea nu sunt încă capabile să creeze ceva asemănător părului uman sau de elefant. Crearea unui astfel de obiect atât de mic este deja o provocare, fără a mai vorbi de structura sa complexă.
Așa cum vedem, această cercetare a arătat că nu doar mătasea de păianjen merită atenția oamenilor de știință ca inspirație pentru materiale ultra-rezistente și ultra-ușoare, ci și părul uman poate surprinde prin proprietățile sale mecanice și uimitoarea sa rezistență.
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și vă doresc o săptămână de lucru plăcută, oameni buni. 🙂
Puțin publicitate 🙂
Mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne, efectuând o comandă sau recomandându-ne prietenilor, , un echivalent unic pentru serverele entry-level, care a fost creat de noi pentru voi: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț în centrul de date Equinix Tier IV din Amsterdam? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
