Lasje za sodobnega človeka niso nič drugega kot element vizualne samoidentifikacije, del podobe in podobe. Kljub temu imajo te poroženele tvorbe kože več pomembnih bioloških funkcij: zaščita, termoregulacija, dotik itd. Kako močni so naši lasje? Kot se je izkazalo, so velikokrat močnejši od slonov ali žirafjih las.
Danes se bomo seznanili s študijo, v kateri so se znanstveniki s kalifornijske univerze (ZDA) odločili preveriti, kako sta debelina dlake in njena moč povezani pri različnih živalskih vrstah, vključno s človekom. Čigavi lasje so najmočnejši, kakšne mehanske lastnosti imajo različni tipi las in kako lahko te raziskave pomagajo pri razvoju novih vrst materialov? O tem izvemo iz poročila znanstvenikov. pojdi
Raziskovalna osnova
Lasje, sestavljeni pretežno iz beljakovine keratina, so poroženela tvorba kože sesalcev. Pravzaprav so lasje, volna in krzno sinonimi. Struktura las je sestavljena iz keratinskih plošč, ki se med seboj prekrivajo, kot domine padajo ena na drugo. Vsak las ima tri plasti: povrhnjica je zunanja in zaščitna plast; korteks - skorja, sestavljena iz podolgovatih odmrlih celic (pomembna za moč in elastičnost las, določa njihovo barvo zaradi melanina) in medula - osrednja plast lasu, sestavljena iz mehkih keratinskih celic in zračnih votlin, ki je sodelujejo pri prenosu hranil v druge plasti.
Če las razdelimo navpično, dobimo podkožni del (debel) in podkožni del (čebulica ali koren). Čebulica je obdana s foliklom, katerega oblika določa obliko samega lasu: okrogel mešiček je raven, ovalni mešiček je rahlo kodrast, ledvičast mešiček je kodrast.
Mnogi znanstveniki menijo, da se človeška evolucija spreminja zaradi tehnološkega napredka. To pomeni, da nekateri organi in strukture v našem telesu postopoma postanejo rudimentarni - tisti, ki so izgubili svoj namen. Ti deli telesa vključujejo modrostne zobe, slepič in telesne dlake. Z drugimi besedami, znanstveniki verjamejo, da bodo sčasoma te strukture preprosto izginile iz naše anatomije. Ali je to res ali ne, je težko reči, toda za mnoge navadne ljudi so modrostni zobje na primer povezani z obiskom zobozdravnika zaradi njihove neizogibne odstranitve.
Kakor koli že, lasje človek potrebuje, morda nimajo več pomembne vloge pri termoregulaciji, a so še vedno sestavni del estetike. Enako lahko rečemo o svetovni kulturi. V mnogih deželah so že od nekdaj lasje veljali za vir vse moči, striženje pa je bilo povezano z morebitnimi zdravstvenimi težavami in celo življenjskimi neuspehi. Sveti pomen las se je iz šamanskih obredov starih plemen preselil v sodobnejše religije, dela pisateljev, umetnikov in kiparjev. Zlasti ženska lepota je bila pogosto tesno povezana z načinom, kako so izgledali ali upodabljali lase ljubkih dam (na primer na slikah).
Opazite, kako podrobno so upodobljeni Venerini lasje (Sandro Botticelli, "Rojstvo Venere", 1485).
Pustimo kulturni in estetski vidik las ob strani in se lotimo raziskav znanstvenikov.
Lasje so v takšni ali drugačni obliki prisotni pri številnih vrstah sesalcev. Če za človeka z biološkega vidika nista več tako pomembna, sta za druge predstavnike živalskega sveta volna in krzno vitalna atributa. Hkrati pa sta si človeški las in na primer slonja dlaka po osnovni strukturi zelo podobna, čeprav obstajajo razlike. Najbolj očitna med njimi so dimenzije, saj so slonji lasje veliko debelejši od naših, vendar, kot se je izkazalo, ne močnejši.
Znanstveniki že nekaj časa preučujejo dlako in volno. Rezultati teh del so bili uporabljeni tako v kozmetologiji in medicini kot v lahki industriji (ali, kot bi rekel znani Kalugina L.P.: "lahka industrija"), natančneje v tekstilu. Poleg tega je preučevanje las močno pripomoglo k razvoju biomaterialov na osnovi keratina, ki so se ga v začetku prejšnjega stoletja naučili izolirati iz živalskih rogov z uporabo apna.
Tako pridobljeni keratin so uporabili za ustvarjanje gelov, ki so jih lahko utrdili z dodajanjem formaldehida. Kasneje so se naučili izolirati keratin ne le iz živalskih rogov, ampak tudi iz njihovega krzna, pa tudi iz človeških las. Snovi na osnovi keratina so našle svojo uporabo v kozmetiki, kompozitih in celo v prevlekah za tablete.
Danes se industrija preučevanja in proizvodnje trpežnih in lahkih materialov hitro razvija. Lasje so po naravi eden od naravnih materialov, ki navdihujejo tovrstne raziskave. Upoštevajte natezno trdnost volne in človeških las, ki se giblje od 200 do 260 MPa, kar je enako specifični trdnosti 150–200 MPa/mg m-3. In to je skoraj primerljivo z jeklom (250 MPa / mg m-3).
Glavno vlogo pri oblikovanju mehanskih lastnosti las ima njihova hierarhična struktura, ki spominja na matrjoško. Najpomembnejši element te strukture je notranja skorja kortikalnih celic (premer približno 5 μm in dolžina 100 μm), sestavljena iz združenih makrofibril (premer približno 0.2-0.4 μm), ki pa so sestavljene iz vmesnih filamentov (7.5 nm). v premeru ), vdelana v amorfno matriko.
Mehanske lastnosti las, njihova občutljivost na temperaturo, vlago in deformacije so neposredna posledica interakcije amorfne in kristalne komponente skorje. Keratinska vlakna skorje človeškega lasu imajo običajno velik raztezek, z natezno deformacijo več kot 40 %.
Tako visoka vrednost je posledica odvijanja strukture а-keratin in v nekaterih primerih njegovo preoblikovanje v b-keratin, kar povzroči povečanje dolžine (polni obrat vijačnice 0.52 nm se v konfiguraciji raztegne na 1.2 nm b). To je eden glavnih razlogov, zakaj so se številne študije osredotočile prav na keratin, da bi ga ponovno ustvarile v sintetični obliki. Toda zunanja plast las (kutikula), kot že vemo, je sestavljena iz plošč (debeline 0.3–0.5 mikronov in dolžine 40–60 mikronov).
Pred tem so znanstveniki že izvedli raziskave o mehanskih lastnostih las ljudi iz različnih starosti in etničnih skupin. V tem delu je bil poudarek na preučevanju razlik v mehanskih lastnostih dlake različnih živalskih vrst, in sicer: človeka, konja, medveda, divjega prašiča, kapibare, pekarja, žirafe in slona.
Rezultati raziskav
Slika #1: Morfologija človeških las (А - obnohtna kožica; В - zlom korteksa; prikazuje konce vlaken, С — površina preloma, kjer so vidne tri plasti; D - stranska površina skorje, ki kaže raztezek vlaken).
Las odraslega človeka ima premer približno 80-100 mikronov. Z normalno nego las je njihov videz precej celosten (1А). Notranja komponenta človeških las je vlaknasta skorja. Po nateznem testiranju je bilo ugotovljeno, da se povrhnjica in skorja človeških las lomita različno: povrhnjica se običajno zlomi abrazivno (zmečka), keratinska vlakna v skorji pa so bila odluščena in izvlečena iz celotne strukture (1V).
Na sliki 1S krhka površina povrhnjice je jasno vidna z vizualizacijo plasti, ki so prekrivajoče se plošče kutikule in imajo debelino 350–400 nm. Opažena delaminacija na površini zloma, kot tudi krhka narava te površine, kaže na šibko medfazno komunikacijo med kutikulo in skorjo ter med vlakni znotraj skorje.
Keratinska vlakna v korteksu so bila odluščena (1D). To nakazuje, da je vlaknasta skorja odgovorna predvsem za mehansko trdnost las.
Slika št. 2: Morfologija konjske žime (А - obnohtna kožica, katere nekatere plošče so zaradi pomanjkanja nege rahlo odklonjene; В - videz rupture; С — detajli razpoka korteksa, kjer je vidna natrgana kožica; D - podrobnosti obnohtne kožice).
Struktura konjske dlake je podobna človeškim lasem, razen premera, ki je za 50 % večji (150 mikronov). Na sliki 2А Vidite lahko očitno poškodbo povrhnjice, kjer številne plošče niso tako tesno povezane s steblom, kot so bile pri človeških laseh. Mesto lomljenja konjske žime vsebuje tako normalno lomljenje kot tudi lomljenje dlake (delminacija povrhnjice). Vklopljeno 2V Vidni sta obe vrsti poškodb. Na mestih, kjer so lamele popolnoma odtrgane, je vidna meja med povrhnjico in skorjo (2S). Več vlaken je bilo na vmesniku strganih in razslojenih. Če primerjamo ta opažanja s prejšnjimi opažanji (človeški lasje), takšne napake kažejo, da konjska dlaka ni doživela tolikšnega stresa kot človeški las, ko so bila vlakna v skorji izpuljena in popolnoma odstranjena od povrhnjice. Vidi se tudi, da so se nekatere plošče ločile od palice, kar je lahko posledica natezne napetosti (2D).
Slika #3: Morfologija medvedje dlake (А - obnohtna kožica; В — poškodba na dveh točkah, povezanih z območjem lomljenja; С — pokanje povrhnjice z delaminacijo vlaken v skorji; D - podrobnosti strukture vlaken, vidnih je več podolgovatih vlaken iz splošne strukture).
Debelina medvedje dlake je 80 mikronov. Plošče obnohtne kožice so izjemno tesno pritrjene druga na drugo (3А), na nekaterih območjih pa je celo težko ločiti posamezne plošče. To je lahko posledica trenja las ob sosednje. Pod natezno obremenitvijo se ti lasje dobesedno razcepijo in nastanejo dolge razpoke (vložek na 3B), kar kaže, da so se zaradi šibkega vezavnega učinka poškodovane povrhnjice keratinska vlakna v skorji zlahka razslojila. Razslojevanje skorje povzroči prelom obnohtne kožice, kar dokazuje cik-cak vzorec preloma (3S). Ta napetost povzroči, da se nekatera vlakna izvlečejo iz korteksa (3D).
Slika št. 4: morfologija dlake merjasca (А - navaden ploščat lasni zlom; В — struktura povrhnjice kaže na slabo celovitost (združevanje) plošč; С — podrobnosti vrzeli na meji med povrhnjico in skorjo; D - vlakna, ki so iztegnjena od skupne mase in štrlečih vlaken).
Dlaka merjasca je precej debela (230 mm), še posebej v primerjavi z medvedjo dlako. Trganje dlake merjasca, ko je poškodovano, je videti precej jasno (4А) pravokotno na smer natezne napetosti.
Relativno majhne izpostavljene povrhnjice so bile odtrgane od glavnega dela lasu zaradi raztezanja njihovih robov (4V).
Na površini območja uničenja je jasno vidna razslojenost vlaken, prav tako je jasno, da so bila znotraj skorje med seboj zelo tesno povezana (4S). Zaradi ločitve so bila izpostavljena samo vlakna na vmesniku med skorjo in povrhnjico (4D), ki je pokazala prisotnost debelih kortikalnih fibril (premera 250 nm). Nekatere fibrile so zaradi deformacije nekoliko štrlele. Služili naj bi kot sredstvo za krepitev dlake merjasca.
Slika #5: Morfologija slonje dlake (А - С) in žirafa (D - F). А - obnohtna kožica; В - stopničasto lomljenje las; С - praznine v lasu kažejo, kje so bila vlakna iztrgana. D - kutikularne plošče; Е - enakomerno lomljenje las; F - vlakna, odtrgana s površine v predelu zloma.
Dlaka slonjega mladiča je lahko debela približno 330 mikronov, pri odraslem pa lahko doseže 1.5 mm. Plošče na površini je težko razlikovati (5А).Slonova dlaka je prav tako nagnjena k normalni razgradnji, tj. do čistega nateznega zloma. Poleg tega kaže morfologija površine zloma stopničast videz (5V), verjetno zaradi prisotnosti manjših napak v lasni skorji. Nekaj majhnih lukenj je mogoče videti tudi na površini zloma, kjer so se verjetno nahajale ojačitvene fibrile pred poškodbo (5S).
Tudi žirafini lasje so precej debeli (370 mikronov), čeprav razporeditev povrhnjice ni tako jasna (5D). Domneva se, da je to posledica njihove poškodbe zaradi različnih okoljskih dejavnikov (na primer trenja ob drevesa med hranjenjem). Kljub razlikam je bila žirafina dlaka podobna kot slonova (5F).
Slika št. 6: morfologija kapibarine dlake (А - dvojna kutikularna struktura plošč; В — zlom dvojne strukture; С — vlakna blizu meje pretrganja so videti krhka in toga; D - podaljšana vlakna iz cone rupture dvojne strukture).
Dlaka kapibar in pekarij se razlikuje od vseh drugih preučevanih dlak. Pri kapibari je glavna razlika prisotnost dvojne konfiguracije kutikule in ovalne oblike las (6А). Utor med obema zrcalnima deloma dlake je nujen za hitrejše odstranjevanje vode iz dlake živali, pa tudi za boljše prezračevanje, ki omogoča hitrejše sušenje. Ko so lasje izpostavljeni raztezanju, se razdelijo na dva dela vzdolž žleba in vsak del se uniči (6V). Veliko vlaken korteksa je ločenih in raztegnjenih (6S и 6D).
Slika #7: Morfologija dlake Peccary (А - struktura povrhnjice in mesto pretrganja; В — morfologija destrukcije korteksa in podrobnosti o njegovi strukturi; С — zaprte celice (premera 20 mikronov), katerih stene so sestavljene iz vlaken; D - celične stene).
Pekariji (družina Tayassuidae, tj. pekarski) lasje imajo porozno skorjo, povrhnjica pa nima izrazitih plošč (7А). Korteks las vsebuje zaprte celice, ki merijo 10-30 mikronov (7V), katere stene so sestavljene iz keratinskih vlaken (7S). Te stene so precej porozne, velikost ene pore pa je približno 0.5-3 mikronov (7D).
Kot vidite na sliki 7А, brez podpore fibroznega korteksa, povrhnjica poči vzdolž prelomne črte in vlakna se na nekaterih mestih izvlečejo. Ta struktura dlake je potrebna, da postane dlaka bolj navpična, kar vizualno poveča velikost živali, kar je lahko obrambni mehanizem za pekarije. Peccary lasje se precej dobro upirajo stiskanju, vendar se ne spopadajo z raztezanjem.
Ko so znanstveniki razumeli strukturne značilnosti las različnih živali, pa tudi njihove vrste poškodb zaradi napetosti, so začeli opisovati mehanske lastnosti.
Slika št. 8: diagram deformacij za vsak tip las in diagram eksperimentalne postavitve za pridobivanje podatkov (hitrost deformacije 10-2 s-1).
Kot je razvidno iz zgornjega grafa, je bil odziv na raztezanje dlake različnih živalskih vrst precej različen. Tako so lasje človeka, konja, merjasca in medveda pokazali podobno reakcijo kot volna (ne tuja, ampak tekstilni material).
Pri sorazmerno visokem elastičnem modulu 3.5–5 GPa so krivulje sestavljene iz linearnega (elastičnega) območja, ki mu sledi plato s počasi naraščajočo napetostjo do deformacije 0.20–0.25, po kateri se hitrost utrjevanja znatno poveča, dokler se deformacija 0.40. Območje planote se nanaša na sprostitev а-vijačna struktura keratinskih intermediarnih filamentov, ki se v nekaterih primerih lahko (delno) preobrazijo v b-plošče (ploščate strukture). Popolno odvijanje vodi do deformacije 1.31, kar je bistveno več kot na koncu te stopnje (0.20–0.25).
Kristalni nitasti del strukture je obdan z amorfno matriko, ki se ne transformira. Amorfni del predstavlja približno 55 % celotne prostornine, vendar le, če je premer vmesnih filamentov 7 nm in da so ločeni z 2 nm amorfnega materiala. Tako natančni indikatorji so bili pridobljeni v prejšnjih študijah.
Med fazo utrjevanja deformacije pride do drsenja med kortikalnimi vlakni kot tudi med manjšimi strukturnimi elementi, kot so mikrofibrili, vmesni filamenti in amorfni matriks.
Dlake žirafe, slona in pekarja kažejo razmeroma linearen odziv na strjevanje brez jasne razlike med platoji in območji hitrega strjevanja (vrhovi). Modul elastičnosti je razmeroma nizek in znaša približno 2 GPa.
Za razliko od drugih vrst, kapibarina dlaka kaže odziv, za katerega je značilno hitro strjevanje ob zaporednih obremenitvah. To opažanje je povezano z nenavadno strukturo dlake kapibare, natančneje s prisotnostjo dveh simetričnih delov in vzdolžnega žleba med njima.
Izvedene so bile že prejšnje študije, ki kažejo, da se Youngov modul (modul vzdolžne elastičnosti) zmanjšuje z večanjem premera dlake pri različnih živalskih vrstah. V teh delih je bilo ugotovljeno, da je Youngov modul pekarja znatno nižji kot pri drugih živalih, kar je lahko posledica poroznosti njegove lasne strukture.
Zanimivo je tudi, da imajo pekariji črne in bele predele na dlaki (dvobarvni). Natezni zlomi se najpogosteje pojavijo v belem predelu las. Povečana odpornost črnega območja je posledica prisotnosti melanosomov, ki jih najdemo izključno v črnih laseh.
Vsa ta opažanja so resnično edinstvena, a glavno vprašanje ostaja: ali dimenzije las igrajo vlogo pri njihovi moči?
Če opisujemo lase pri sesalcih, lahko izpostavimo glavna dejstva, ki so znana raziskovalcem:
- pri večini vrst las je debelejši v osrednjem delu in se proti koncu zoži; Kožuh divjih živali je gostejši zaradi njihovega habitata;
- Razlike v premeru dlak ene vrste kažejo, da se debelina večine dlak razlikuje znotraj splošnega razpona debeline za določeno živalsko vrsto. Debelina dlačic se lahko razlikuje med različnimi predstavniki iste vrste, vendar še ni znano, kaj vpliva na to razliko;
- Različne vrste sesalcev imajo različno debelino dlake (naj se sliši še tako klišejsko).
S seštevanjem teh javno dostopnih dejstev in podatkov, pridobljenih med poskusi, so znanstveniki lahko primerjali vse rezultate in oblikovali razmerje med debelino las in njihovo močjo.
Slika št. 9: razmerje med debelino dlake in njeno močjo pri različnih živalskih vrstah.
Zaradi razlik v premeru in razteznosti las so se znanstveniki odločili preveriti, ali je mogoče njihove natezne napetosti predvideti na podlagi Weibullove statistike, ki lahko posebej pojasni razlike v velikosti vzorca in posledični velikosti napake.
Predpostavlja se, da lasni segment z volumnom V состоит из n elementov prostornine in prostornine vsake enote V0 ima podobno porazdelitev napak. Uporaba predpostavke o najšibkejšem členu pri dani napetostni ravni σ verjetnost P ohranjanje celovitosti danega segmenta las z volumnom V se lahko izrazi kot zmnožek dodatnih verjetnosti ohranitve celovitosti vsakega od prostorninskih elementov, in sicer:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
kje je glasnost V vsebuje n prostorninskih elementov V0. Ko se napetost poveča P(V) naravno zmanjša.
Z uporabo dvoparametrske Weibullove porazdelitve lahko verjetnost okvare celotne prostornine izrazimo kot:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
če σ — uporabljena napetost, σ0 je značilna (referenčna) jakost in m — Weibullov modul, ki je merilo variabilnosti lastnosti. Omeniti velja, da se verjetnost uničenja povečuje z večanjem velikosti vzorca V pri konstantni napetosti σ.
Na grafikonu 9А Prikazana je Weibullova porazdelitev napetosti eksperimentalne odpovedi za človeško in kapibarino dlako. Krivulje za druge vrste so bile predvidene z uporabo formule #2 z enako vrednostjo m kot za človeške lase (m =
Povprečni premeri so bili: merjasec - 235 µm, konj - 200 µm, pekar - 300 µm, medved - 70 µm, slonova dlaka - 345 µm in žirafa - 370 µm.
Na podlagi dejstva, da se prelomna napetost lahko določi pri P(V) = 0.5, ti rezultati kažejo, da se napetost pri okvari zmanjšuje s povečevanjem premera dlake med vrstami.
Na grafikonu 9V prikazuje predvidene porušitvene napetosti pri 50 % verjetnosti okvare (P(V) = 0.5) in povprečna eksperimentalna pretržna napetost za različne vrste.
Postane jasno, da ko se premer las poveča s 100 na 350 mm, se njegova pretržna napetost zmanjša z 200–250 MPa na 125–150 MPa. Rezultati simulacije Weibullove porazdelitve se odlično ujemajo z dejanskimi rezultati opazovanja. Edina izjema je pekarska dlaka, saj je izjemno porozna. Dejanska moč pekarijske dlake je nižja od tiste, ki jo prikazuje modeliranje Weibullove porazdelitve.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
Glavni zaključek zgornjih opažanj je, da gosti lasje niso enakovredni močnim lasem. Res je, kot pravijo znanstveniki sami, ta izjava ni odkritje tisočletja, saj so bila podobna opažanja narejena pri preučevanju kovinske žice. Tu niti ne gre za fiziko, mehaniko ali biologijo, temveč za statistiko – večji kot je predmet, večja je možnost napak.
Znanstveniki verjamejo, da bo delo, ki smo ga pregledali danes, pomagalo njihovim kolegom ustvariti nove sintetične materiale. Glavna težava je v tem, da kljub razvoju sodobnih tehnologij še niso sposobni ustvariti česa podobnega človeški ali slonji dlaki. Konec koncev je ustvarjanje nečesa tako majhnega že izziv, da ne omenjamo njegove zapletene strukture.
Kot lahko vidimo, je ta študija pokazala, da ni le pajkova svila vredna pozornosti znanstvenikov kot navdih za prihodnje ultra-močne in ultra-lahke materiale, ampak lahko tudi človeški las preseneti s svojimi mehanskimi lastnostmi in neverjetno močjo.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje. 🙂
Nekaj oglasov 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, , edinstven analog začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd dvakrat cenejši v podatkovnem centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com