ผมของใครแข็งแรงกว่า: สัณฐานวิทยาของเส้นผม

ทรงผมสำหรับคนยุคใหม่นั้นเป็นเพียงองค์ประกอบของการระบุตัวตนด้วยสายตา ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภาพและภาพ อย่างไรก็ตาม การก่อตัวของผิวที่มีเขาเหล่านี้มีหน้าที่ทางชีวภาพที่สำคัญหลายประการ: การป้องกัน การควบคุมอุณหภูมิ การสัมผัส ฯลฯ ผมของเราแข็งแรงแค่ไหน? เมื่อปรากฎว่าพวกมันแข็งแกร่งกว่าขนของช้างหรือยีราฟหลายเท่า

วันนี้เราจะมาทำความรู้จักกับการศึกษาที่นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (สหรัฐอเมริกา) ตัดสินใจทดสอบว่าความหนาของเส้นผมและความแข็งแรงของมันมีความสัมพันธ์กันในสัตว์ชนิดต่าง ๆ รวมถึงมนุษย์อย่างไร เส้นผมของใครแข็งแรงที่สุด เส้นผมแต่ละประเภทมีคุณสมบัติเชิงกลอะไรบ้าง และงานวิจัยนี้จะช่วยพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ได้อย่างไร เราเรียนรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้จากรายงานของนักวิทยาศาสตร์ ไป.

พื้นฐานการวิจัย

ผมซึ่งประกอบด้วยโปรตีนเคราตินเป็นส่วนใหญ่ คือการก่อตัวของผิวหนังของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ในความเป็นจริง ผม ขนสัตว์ และขนสัตว์เป็นคำพ้องความหมาย โครงสร้างของเส้นผมประกอบด้วยแผ่นเคราตินที่ทับซ้อนกันเหมือนโดมิโนที่ตกลงมาทับกัน ผมแต่ละเส้นมีสามชั้น: หนังกำพร้าเป็นชั้นนอกและชั้นป้องกัน; เยื่อหุ้มสมอง - เยื่อหุ้มสมองซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่ตายแล้วที่ยืดออก (สำคัญสำหรับความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของเส้นผมกำหนดสีของมันเนื่องจากเมลานิน) และไขกระดูก - ชั้นกลางของเส้นผมประกอบด้วยเซลล์เคราตินอ่อนและโพรงอากาศซึ่งก็คือ เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทสารอาหารไปยังชั้นอื่น

ถ้าเส้นผมถูกแบ่งในแนวตั้ง เราจะได้ส่วนที่อยู่ใต้ผิวหนัง (แกน) และส่วนที่อยู่ใต้ผิวหนัง (หัวหรือราก) หลอดไฟล้อมรอบด้วยรูขุมขนซึ่งรูปร่างจะเป็นตัวกำหนดรูปร่างของเส้นผม: รูขุมขนกลมตรง, รูขุมขนรูปไข่หยิกเล็กน้อย, รูขุมขนรูปไตเป็นลอน

นักวิทยาศาสตร์หลายคนแนะนำว่าวิวัฒนาการของมนุษย์กำลังเปลี่ยนแปลงเนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี นั่นคืออวัยวะและโครงสร้างบางส่วนในร่างกายของเราค่อยๆ กลายเป็นอวัยวะพื้นฐาน - อวัยวะและโครงสร้างที่สูญเสียจุดประสงค์ที่ตั้งใจไว้ ส่วนต่างๆ ของร่างกาย ได้แก่ ฟันคุด ไส้ติ่ง และขนตามร่างกาย กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเมื่อเวลาผ่านไป โครงสร้างเหล่านี้จะหายไปจากกายวิภาคของเรา ไม่ว่าสิ่งนี้จะเป็นจริงหรือไม่ก็ตามก็ยากที่จะพูด แต่สำหรับคนทั่วไปจำนวนมาก ฟันคุดมีความเกี่ยวข้องกับการไปพบทันตแพทย์เพื่อถอนฟันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

เป็นไปได้ว่าบุคคลนั้นต้องการเส้นผมซึ่งอาจไม่มีบทบาทสำคัญในการควบคุมอุณหภูมิอีกต่อไป แต่ยังคงเป็นส่วนสำคัญของสุนทรียภาพ เช่นเดียวกันอาจกล่าวได้เกี่ยวกับวัฒนธรรมโลก ในหลายประเทศมาแต่โบราณกาล ผมถือเป็นแหล่งที่มาของความเข้มแข็งทั้งหมด และการตัดผมก็เกี่ยวข้องกับปัญหาสุขภาพที่อาจเกิดขึ้นและแม้แต่ความล้มเหลวในชีวิต ความหมายอันศักดิ์สิทธิ์ของเส้นผมได้อพยพจากพิธีกรรมชามานิกของชนเผ่าโบราณไปสู่ศาสนาสมัยใหม่ ผลงานของนักเขียน ศิลปิน และประติมากร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความงามของผู้หญิงมักจะเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับทรงผมของผู้หญิงที่น่ารักมองหรือแสดงออกมา (เช่น ในภาพวาด)

สังเกตว่ารายละเอียดเส้นผมของดาวศุกร์แสดงออกมาอย่างไร (Sandro Botticelli, “Birth of Venus”, 1485)

ละทิ้งแง่มุมทางวัฒนธรรมและความงามของเส้นผมแล้วเริ่มพิจารณาการวิจัยของนักวิทยาศาสตร์

ขนไม่ทางใดก็ทางหนึ่งมีอยู่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิด หากสำหรับมนุษย์พวกเขาไม่สำคัญอีกต่อไปจากมุมมองทางชีววิทยาแล้วสำหรับตัวแทนอื่น ๆ ของสัตว์โลกขนสัตว์และขนสัตว์ก็เป็นคุณลักษณะที่สำคัญ ในเวลาเดียวกันในแง่ของโครงสร้างพื้นฐาน เส้นผมของมนุษย์และขนช้างมีความคล้ายคลึงกันมากแม้ว่าจะมีความแตกต่างก็ตาม สิ่งที่ชัดเจนที่สุดคือมิติเพราะ ขนของช้างหนากว่าของเรามาก แต่เมื่อปรากฏออกมาก็ไม่แข็งแรงขึ้น

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเส้นผมและขนสัตว์มาระยะหนึ่งแล้ว ผลลัพธ์ของงานเหล่านี้ถูกนำไปใช้ทั้งในด้านความงามและการแพทย์และในอุตสาหกรรมเบา (หรือตามที่ Kalugina L.P. ที่รู้จักกันดีจะพูดว่า: "อุตสาหกรรมเบา") หรืออย่างแม่นยำในสิ่งทอ นอกจากนี้ การศึกษาเกี่ยวกับเส้นผมยังช่วยอย่างมากในการพัฒนาวัสดุชีวภาพที่มีเคราติน ซึ่งเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา พวกเขาเรียนรู้ที่จะแยกเขาออกจากเขาสัตว์โดยใช้มะนาว

เคราตินที่ได้จึงถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเจลที่สามารถเสริมความแข็งแรงได้ด้วยการเติมฟอร์มาลดีไฮด์ ต่อมาพวกเขาเรียนรู้ที่จะแยกเคราตินไม่เพียงแต่จากเขาสัตว์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงขนของมันด้วย รวมไปถึงเส้นผมของมนุษย์ด้วย สารที่มีเคราตินพบว่ามีประโยชน์ในเครื่องสำอาง คอมโพสิต และแม้กระทั่งในการเคลือบแท็บเล็ต

ในปัจจุบัน อุตสาหกรรมการศึกษาและการผลิตวัสดุที่ทนทานและน้ำหนักเบากำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว เส้นผมถือเป็นหนึ่งในวัสดุธรรมชาติที่เป็นแรงบันดาลใจในการวิจัยประเภทนี้ พิจารณาความต้านทานแรงดึงของขนสัตว์และเส้นผมของมนุษย์ ซึ่งอยู่ในช่วง 200 ถึง 260 MPa ซึ่งเทียบเท่ากับความแข็งแรงจำเพาะที่ 150-200 MPa/mg m-3 และนี่แทบจะเทียบได้กับเหล็ก (250 MPa / mg m-3)

บทบาทหลักในการก่อตัวของคุณสมบัติเชิงกลของเส้นผมนั้นเล่นโดยโครงสร้างแบบลำดับชั้นซึ่งชวนให้นึกถึงตุ๊กตา Matryoshka องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของโครงสร้างนี้คือเยื่อหุ้มสมองชั้นในของเซลล์เยื่อหุ้มสมอง (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ไมโครเมตรและความยาว 100 ไมโครเมตร) ประกอบด้วยมาโครไฟบริลที่จัดกลุ่ม (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.2-0.4 ไมโครเมตร) ซึ่งในทางกลับกันประกอบด้วยเส้นใยระดับกลาง (7.5 นาโนเมตร) เส้นผ่านศูนย์กลาง ) ซึ่งฝังอยู่ในเมทริกซ์อสัณฐาน

คุณสมบัติทางกลของเส้นผม ความไวต่ออุณหภูมิ ความชื้น และการเสียรูป เป็นผลโดยตรงจากปฏิสัมพันธ์ของส่วนประกอบอสัณฐานและผลึกของเยื่อหุ้มสมอง เส้นใยเคราตินของเปลือกผมมนุษย์มักมีการยืดตัวสูง โดยมีแรงดึงมากกว่า 40%

มูลค่าที่สูงเช่นนี้เกิดจากการคลายตัวของโครงสร้าง а-เคราติน และในบางกรณีก็เปลี่ยนเป็น b-เคราตินซึ่งนำไปสู่การเพิ่มความยาว (การหมุนเกลียว 0.52 นาโนเมตรเต็มถูกยืดออกไปเป็น 1.2 นาโนเมตรในการกำหนดค่า b). นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักว่าทำไมการศึกษาจำนวนมากจึงมุ่งเน้นไปที่เคราตินโดยเฉพาะเพื่อที่จะสร้างเคราตินขึ้นมาใหม่ในรูปแบบสังเคราะห์ แต่อย่างที่เรารู้อยู่แล้วว่าชั้นนอกของเส้นผม (หนังกำพร้า) ประกอบด้วยแผ่น (หนา 0.3–0.5 ไมครอนและยาว 40–60 ไมครอน)

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติเชิงกลของเส้นผมของคนทุกวัยและกลุ่มชาติพันธุ์แล้ว งานวิจัยนี้เน้นศึกษาความแตกต่างในคุณสมบัติเชิงกลของเส้นผมของสัตว์ชนิดต่างๆ ได้แก่ มนุษย์ ม้า หมี หมูป่า คาปิบารา เพกคารี ยีราฟ และช้าง

ผลการศึกษา

รูปภาพ #1: สัณฐานวิทยาของเส้นผมมนุษย์ (А - หนังกำพร้า; В - การแตกหักของเยื่อหุ้มสมอง; เผยให้เห็นส่วนปลายของเส้นใย С - พื้นผิวของรอยเลื่อนที่มองเห็นได้สามชั้น D - พื้นผิวด้านข้างของเยื่อหุ้มสมอง แสดงให้เห็นการยืดตัวของเส้นใย)

เส้นผมของมนุษย์ที่โตเต็มวัยจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 80-100 ไมครอน ด้วยการดูแลเส้นผมตามปกติ ลักษณะจะค่อนข้างองค์รวม (1A). ส่วนประกอบภายในของเส้นผมมนุษย์คือเยื่อหุ้มสมองเส้นใย หลังจากการทดสอบแรงดึง พบว่าหนังกำพร้าและเยื่อหุ้มสมองของเส้นผมมนุษย์แตกแตกต่างออกไป โดยทั่วไปหนังกำพร้าจะแตกหักแบบขัดถู (ยับยู่ยี่) และเส้นใยเคราตินในเยื่อหุ้มสมองถูกลอกออกและดึงออกจากโครงสร้างโดยรวม (1V).

ในรูปภาพ 1S พื้นผิวที่เปราะบางของหนังกำพร้าสามารถมองเห็นได้ชัดเจนด้วยการมองเห็นชั้นต่างๆ ซึ่งเป็นแผ่นหนังกำพร้าที่ทับซ้อนกันและมีความหนา 350–400 นาโนเมตร การหลุดร่อนที่สังเกตได้ ณ พื้นผิวที่แตกหัก เช่นเดียวกับลักษณะที่เปราะของพื้นผิวนี้ บ่งชี้ถึงการสื่อสารระหว่างผิวที่อ่อนแอระหว่างหนังกำพร้าและเยื่อหุ้มสมอง และระหว่างเส้นใยภายในเยื่อหุ้มสมอง

เส้นใยเคราตินในเยื่อหุ้มสมองถูกขัดออก (1D). นี่แสดงให้เห็นว่าเยื่อหุ้มสมองเส้นใยมีหน้าที่หลักต่อความแข็งแรงเชิงกลของเส้นผม

ภาพที่ 2: สัณฐานวิทยาของขนม้า (А - หนังกำพร้าบางแผ่นมีการเบี่ยงเบนเล็กน้อยเนื่องจากขาดการดูแล В - การปรากฏตัวของการแตกร้าว; С — รายละเอียดของการแตกของเยื่อหุ้มสมองซึ่งมองเห็นหนังกำพร้าฉีกขาด D - รายละเอียดหนังกำพร้า)

โครงสร้างของขนม้านั้นคล้ายกับเส้นผมของมนุษย์ ยกเว้นเส้นผ่านศูนย์กลางซึ่งใหญ่กว่า 50% (150 ไมครอน) ในรูปภาพ 2A คุณสามารถเห็นความเสียหายที่ชัดเจนต่อหนังกำพร้า โดยที่แผ่นหลายแผ่นไม่ได้เชื่อมต่อกับก้านอย่างใกล้ชิดเท่ากับเส้นผมของมนุษย์ บริเวณที่ขาดขนม้านั้นมีทั้งการแตกปกติและขาดขน (การแยกชั้นของแผ่นหนังกำพร้า) บน 2V มองเห็นความเสียหายทั้งสองประเภทได้ ในบริเวณที่แผ่นลาเมลลาถูกฉีกออกจนหมด จะมองเห็นส่วนต่อประสานระหว่างหนังกำพร้าและเยื่อหุ้มสมอง (2S). เส้นใยหลายเส้นถูกฉีกขาดและแยกออกจากกันที่ส่วนต่อประสาน เมื่อเปรียบเทียบการสังเกตเหล่านี้กับการสังเกตครั้งก่อน (เส้นผมของมนุษย์) ความล้มเหลวดังกล่าวบ่งชี้ว่าขนม้าไม่ได้รับความเครียดมากเท่ากับเส้นผมของมนุษย์เมื่อเส้นใยในเปลือกนอกถูกดึงออกและหลุดออกจากหนังกำพร้าอย่างสมบูรณ์ จะเห็นได้ว่าแผ่นบางแผ่นหลุดออกจากแกนซึ่งอาจเกิดจากความเค้นดึง (2D).

รูปภาพ #3: สัณฐานวิทยาของขนหมี (А - หนังกำพร้า; В - ความเสียหายสองจุดที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่แตกร้าว С — การแตกของหนังกำพร้าด้วยการแยกเส้นใยในเยื่อหุ้มสมอง; D - รายละเอียดของโครงสร้างเส้นใย มองเห็นเส้นใยยาวหลายเส้นจากโครงสร้างทั่วไปได้)

ขนหมีหนา 80 ไมครอน แผ่นหนังกำพร้าติดกันแน่นมาก (3A) และในบางพื้นที่ การแยกแยะจานแต่ละจานเป็นเรื่องยากด้วยซ้ำ อาจเกิดจากการเสียดสีกับเส้นผมข้างเคียง ภายใต้ความเครียดจากแรงดึง เส้นขนเหล่านี้จะแตกออกเป็นรอยแตกยาว (แทรกบน 3B) แสดงให้เห็นว่าเนื่องจากหนังกำพร้าที่เสียหายมีผลในการยึดเกาะที่อ่อนแอ เส้นใยเคราตินในเยื่อหุ้มสมองจึงถูกแยกออกได้ง่าย การแยกชั้นของเยื่อหุ้มสมองทำให้เกิดการแตกหักที่หนังกำพร้า ดังที่เห็นได้จากรูปแบบซิกแซกของการแตก (3S). ความตึงเครียดนี้ทำให้เส้นใยบางส่วนถูกดึงออกจากเยื่อหุ้มสมอง (3D).

ภาพที่ 4: สัณฐานวิทยาของขนหมูป่า (А - การแตกหักของเส้นผมแบนธรรมดา В — โครงสร้างของหนังกำพร้าแสดงให้เห็นถึงสถานะที่ไม่ดีของความสมบูรณ์ (การจัดกลุ่ม) ของแผ่นเปลือกโลก С — รายละเอียดของช่องว่างที่รอยต่อระหว่างหนังกำพร้าและเปลือกนอก D - เส้นใยยาวจากมวลรวมและเส้นใยที่ยื่นออกมา)

ขนหมูป่าค่อนข้างหนา (230 มม.) โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับขนหมี ขนหมูป่าฉีกขาดเมื่อเสียหายดูค่อนข้างชัดเจน (4A) ตั้งฉากกับทิศทางของความเค้นดึง

แผ่นหนังกำพร้าที่ค่อนข้างเล็กถูกฉีกออกจากส่วนหลักของเส้นผมเนื่องจากการยืดขอบ (4V).

บนพื้นผิวของโซนการทำลายล้างมองเห็นการแยกตัวของเส้นใยได้ชัดเจนและชัดเจนว่าพวกมันเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาภายในเยื่อหุ้มสมอง (4S). มีเพียงเส้นใยที่ส่วนต่อประสานระหว่างเยื่อหุ้มสมองและหนังกำพร้าเท่านั้นที่ถูกเปิดเผยเนื่องจากการแยกตัว (4D) ซึ่งเผยให้เห็นว่ามีเส้นใยเยื่อหุ้มสมองหนา (เส้นผ่านศูนย์กลาง 250 นาโนเมตร) เส้นใยบางส่วนยื่นออกมาเล็กน้อยเนื่องจากการเสียรูป พวกมันควรจะทำหน้าที่เป็นสารเสริมความแข็งแรงให้กับเส้นผมของหมูป่า

รูปภาพ #5: สัณฐานวิทยาของขนช้าง (А - С) และยีราฟ (D - F). А - หนังกำพร้า; В - แบ่งผมเป็นขั้นตอน С - ช่องว่างภายในเส้นผมบ่งบอกว่าเส้นใยถูกฉีกขาดตรงไหน D - แผ่นหนังกำพร้า; Е - แม้กระทั่งผมแตกปลาย; F - เส้นใยขาดจากพื้นผิวบริเวณรอยแตกร้าว

ขนของลูกช้างมีความหนาประมาณ 330 ไมครอน และในผู้ใหญ่อาจมีความหนาได้ถึง 1.5 มม. แผ่นบนพื้นผิวแยกแยะได้ยาก (5A).ขนของช้างยังมีแนวโน้มที่จะสลายตามปกติเช่นกัน เช่น ไปจนถึงการแตกหักด้วยแรงดึงบริสุทธิ์ นอกจากนี้ สัณฐานวิทยาของพื้นผิวแตกหักยังมีลักษณะเป็นขั้นบันได (5V) อาจเนื่องมาจากมีข้อบกพร่องเล็กน้อยในเยื่อหุ้มสมองของเส้นผม นอกจากนี้ยังสามารถเห็นรูเล็กๆ บางส่วนได้บนพื้นผิวที่แตกหัก ซึ่งมีแนวโน้มว่าเส้นใยเสริมแรงจะอยู่ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย (5S).

ขนของยีราฟก็ค่อนข้างหนาเช่นกัน (370 ไมครอน) แม้ว่าการเรียงตัวของแผ่นหนังกำพร้าจะไม่ชัดเจนนัก (5D). เชื่อกันว่าเกิดจากความเสียหายจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมต่างๆ (เช่น การเสียดสีกับต้นไม้ระหว่างการให้อาหาร) แม้จะมีความแตกต่างกัน ผมของยีราฟก็คล้ายกับผมของช้าง (5F).

ภาพที่ 6: สัณฐานวิทยาของเส้นผม capybara (А - โครงสร้างหนังกำพร้าสองชั้นของแผ่น; В - การแตกของโครงสร้างสองชั้น С — เส้นใยที่อยู่ใกล้รอยร้าวจะเปราะและแข็ง D - เส้นใยยาวจากบริเวณที่แตกของโครงสร้างสองชั้น)

ขนของคาปิบาราและเพกคารีแตกต่างจากขนอื่นๆ ทั้งหมดที่ศึกษา ใน capybara ความแตกต่างที่สำคัญคือการมีโครงสร้างหนังกำพร้าสองชั้นและมีขนรูปไข่ (6A). ร่องระหว่างเส้นผมทั้งสองส่วนที่เป็นกระจกนั้นจำเป็นต่อการขจัดน้ำออกจากขนของสัตว์ได้เร็วขึ้น รวมทั้งเพื่อการระบายอากาศที่ดีขึ้น ซึ่งช่วยให้แห้งเร็วขึ้น เมื่อสัมผัสกับการยืดผมจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนตามร่องและแต่ละส่วนจะถูกทำลาย (6V). เส้นใยจำนวนมากของเยื่อหุ้มสมองถูกแยกและยืดออก (6S и 6D).

รูปภาพ #7: สัณฐานวิทยาของเส้นผม Peccary (А - โครงสร้างของหนังกำพร้าและสถานที่ของการแตกร้าว В สัณฐานวิทยาของการทำลายเยื่อหุ้มสมองและรายละเอียดของโครงสร้าง С — เซลล์ปิด (เส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ไมครอน) ผนังซึ่งประกอบด้วยเส้นใย D - ผนังเซลล์)

เพกคารีส์ (ครอบครัว ทายาสซูอิแด, เช่น. peccary) ผมมีเยื่อหุ้มสมองที่มีรูพรุน และชั้นหนังกำพร้าไม่มีแผ่นที่แตกต่างกัน (7A). เปลือกผมมีเซลล์ปิดขนาด 10-30 ไมครอน (7V) ผนังซึ่งประกอบด้วยเส้นใยเคราติน (7S). ผนังเหล่านี้ค่อนข้างมีรูพรุน และมีขนาดรูพรุนประมาณ 0.5-3 ไมครอน (7D).

ดังที่คุณเห็นในภาพ 7Aหากไม่ได้รับการสนับสนุนจากเยื่อหุ้มสมองที่เป็นเส้นใย หนังกำพร้าจะแตกตามแนวเส้นแบ่ง และเส้นใยจะถูกดึงออกมาในบางแห่ง โครงสร้างของเส้นขนนี้จำเป็นต่อการทำให้ขนเป็นแนวตั้งมากขึ้น ทำให้มองเห็นขนาดของสัตว์เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจเป็นกลไกในการป้องกันเพกคารี ผม Peccary ต้านทานการบีบอัดได้ค่อนข้างดี แต่ไม่สามารถรับมือกับการยืดตัวได้

เมื่อเข้าใจลักษณะโครงสร้างของเส้นผมของสัตว์ต่าง ๆ รวมถึงประเภทของความเสียหายเนื่องจากความตึงเครียด นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มอธิบายคุณสมบัติเชิงกล

ภาพที่ 8: แผนภาพการเปลี่ยนรูปสำหรับเส้นผมแต่ละประเภท และแผนภาพการตั้งค่าการทดลองเพื่อรับข้อมูล (อัตราความเครียด 10-2 s-1)

ดังที่เห็นได้จากกราฟด้านบน การตอบสนองต่อการยืดเส้นขนของสัตว์ชนิดต่างๆ ค่อนข้างแตกต่างกัน ดังนั้นเส้นผมของคน ม้า หมูป่า และหมี จึงแสดงปฏิกิริยาคล้ายกับปฏิกิริยาของขนสัตว์ (ไม่ใช่ของคนอื่น แต่เป็นวัสดุสิ่งทอ)

ที่โมดูลัสยืดหยุ่นที่ค่อนข้างสูงที่ 3.5–5 GPa เส้นโค้งจะประกอบด้วยบริเวณเชิงเส้น (ยืดหยุ่น) ตามด้วยที่ราบสูงที่มีความเค้นเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ จนถึงความเครียด 0.20–0.25 หลังจากนั้นอัตราการชุบแข็งจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญจนกระทั่ง ความเครียดความล้มเหลว 0.40 พื้นที่ราบสูงหมายถึงการคลี่คลาย а-โครงสร้างเกลียวของเส้นใยเคราตินขั้นกลาง ซึ่งในบางกรณีสามารถแปลงร่างเป็น (บางส่วน) ได้ b-แผ่น (โครงสร้างเรียบ) การคลี่คลายโดยสมบูรณ์นำไปสู่การเสียรูป 1.31 ซึ่งสูงกว่าเมื่อสิ้นสุดระยะนี้อย่างมีนัยสำคัญ (0.20–0.25)

โครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายเกลียวคล้ายผลึกนั้นล้อมรอบด้วยเมทริกซ์อสัณฐานซึ่งไม่เปลี่ยนรูป ชิ้นส่วนอสัณฐานคิดเป็นประมาณ 55% ของปริมาตรทั้งหมด แต่ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยตัวกลางคือ 7 นาโนเมตร และถูกแยกออกจากกันด้วยวัสดุอสัณฐาน 2 นาโนเมตร ตัวชี้วัดที่แม่นยำดังกล่าวได้มาจากการศึกษาก่อนหน้านี้

ในระหว่างขั้นตอนการแข็งตัวของการเสียรูป การเลื่อนเกิดขึ้นระหว่างเส้นใยเยื่อหุ้มสมองและระหว่างองค์ประกอบโครงสร้างขนาดเล็ก เช่น ไมโครไฟบริล เส้นใยขั้นกลาง และเมทริกซ์อสัณฐาน

ขนของยีราฟ ขนช้าง และขนเพกคารีแสดงการตอบสนองของการแข็งตัวเป็นเส้นตรง โดยไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างที่ราบสูงและบริเวณที่มีการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว (ยอด) โมดูลัสยืดหยุ่นค่อนข้างต่ำและมีค่าประมาณ 2 GPa

ขนของคาปิบาราต่างจากสายพันธุ์อื่นๆ โดยจะมีการตอบสนองที่โดดเด่นด้วยการแข็งตัวอย่างรวดเร็วเมื่อใช้แรงเค้นต่อเนื่องกัน การสังเกตนี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างที่ผิดปกติของเส้นผมของ capybara หรือแม่นยำยิ่งขึ้นด้วยการมีส่วนสมมาตรสองส่วนและมีร่องตามยาวระหว่างส่วนเหล่านั้น

มีการศึกษาก่อนหน้านี้ที่ระบุว่าโมดูลัสของ Young (โมดูลัสยืดหยุ่นตามยาว) จะลดลงเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมเพิ่มขึ้นในสัตว์สายพันธุ์ต่างๆ ผลงานเหล่านี้ตั้งข้อสังเกตว่าโมดูลัสของเพกคารียังต่ำกว่าของสัตว์อื่นๆ อย่างมาก ซึ่งอาจเนื่องมาจากความพรุนของโครงสร้างเส้นผม

ยังเป็นที่น่าสงสัยว่าเพกคารีมีทั้งบริเวณสีดำและสีขาวบนเส้นผม (สองสี) การแตกหักของแรงดึงมักเกิดขึ้นในบริเวณที่เป็นสีขาวของเส้นผม ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของบริเวณสีดำนั้นเกิดจากการมีเมลาโนโซมซึ่งพบได้เฉพาะในผมสีดำ

ข้อสังเกตทั้งหมดนี้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวอย่างแท้จริง แต่คำถามหลักยังคงอยู่: มิติของเส้นผมมีบทบาทต่อความแข็งแรงหรือไม่

หากเราอธิบายเส้นผมในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เราสามารถเน้นข้อเท็จจริงหลักที่นักวิจัยทราบได้:

• ในเส้นผมส่วนใหญ่จะหนากว่าในภาคกลางและเรียวไปทางปลาย ขนของสัตว์ป่าจะหนาขึ้นเนื่องจากถิ่นที่อยู่ของพวกมัน
• ความแปรผันของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นขนของสัตว์ชนิดหนึ่งบ่งชี้ว่าความหนาของเส้นขนส่วนใหญ่แตกต่างกันไปภายในช่วงความหนาทั่วไปของสัตว์แต่ละชนิด ความหนาของเส้นขนอาจแตกต่างกันระหว่างตัวแทนที่แตกต่างกันของสายพันธุ์เดียวกัน แต่ยังไม่ทราบสาเหตุที่มีอิทธิพลต่อความแตกต่างนี้
• สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมแต่ละสายพันธุ์มีความหนาของเส้นผมต่างกัน (ฟังดูโบราณมาก)

ด้วยการสรุปข้อเท็จจริงที่เปิดเผยต่อสาธารณะเหล่านี้และข้อมูลที่ได้รับระหว่างการทดลอง นักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์ทั้งหมดเพื่อสร้างความสัมพันธ์ระหว่างความหนาของเส้นผมและความแข็งแรงของเส้นผม

ภาพที่ 9: ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาของเส้นผมและความแข็งแรงของเส้นผมในสัตว์ชนิดต่างๆ

เนื่องจากความแตกต่างของเส้นผ่านศูนย์กลางและความสามารถในการยืดผม นักวิทยาศาสตร์จึงตัดสินใจว่าสามารถคาดการณ์ความเค้นดึงของเส้นผมได้หรือไม่โดยอาศัยสถิติ Weibull ซึ่งสามารถอธิบายความแตกต่างในขนาดตัวอย่างและขนาดข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นโดยเฉพาะได้

สันนิษฐานว่าเป็นปล้องผมที่มีปริมาตร V состоитиз n องค์ประกอบของปริมาตร และปริมาตรแต่ละหน่วย V0 มีการกระจายจุดบกพร่องที่คล้ายคลึงกัน การใช้สมมติฐานการเชื่อมต่อที่อ่อนแอที่สุด ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด σ ความน่าจะเป็น P รักษาความสมบูรณ์ของส่วนของเส้นผมที่กำหนดด้วยปริมาตร V สามารถแสดงเป็นผลคูณของความน่าจะเป็นเพิ่มเติมในการรักษาความสมบูรณ์ขององค์ประกอบปริมาตรแต่ละรายการ ได้แก่ :

P(V) = P(V0🇧🇷 P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n

ระดับเสียงอยู่ที่ไหน V มีองค์ประกอบปริมาตร n รายการ V0. เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น P(V) ลดลงอย่างเป็นธรรมชาติ

เมื่อใช้การแจกแจงแบบ Weibull แบบสองพารามิเตอร์ ความน่าจะเป็นที่จะเกิดความล้มเหลวของปริมาตรทั้งหมดสามารถแสดงเป็น:

1 - P = 1 - ประสบการณ์ [ -V/V0 -σ/σ0)ม.]

ที่ไหน σ — แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ σ0 คือความแรงของลักษณะเฉพาะ (อ้างอิง) และ m — โมดูลัส Weibull ซึ่งเป็นการวัดความแปรปรวนของคุณสมบัติ เป็นที่น่าสังเกตว่าความน่าจะเป็นในการทำลายจะเพิ่มขึ้นตามขนาดตัวอย่างที่เพิ่มขึ้น V ที่แรงดันไฟฟ้าคงที่ σ.

บนชาร์ต 9A มีการแสดงการกระจายตัวของความเครียดความล้มเหลวในการทดลองแบบ Weibull สำหรับเส้นผมของมนุษย์และขนคาปิบารา เส้นโค้งของสายพันธุ์อื่นถูกทำนายโดยใช้สูตร #2 ที่มีค่า m เท่ากันกับเส้นผมของมนุษย์ (m = 0.11)

เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยที่ใช้คือ: หมูป่า - 235 µm, ม้า - 200 µm, peccary - 300 µm, หมี - 70 µm, ขนช้าง - 345 µm และยีราฟ - 370 µm

จากข้อเท็จจริงที่ว่าสามารถกำหนดความเครียดแตกหักได้ที่ P(V) = 0.5 ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าความเครียดจากความล้มเหลวลดลงเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นขนเพิ่มขึ้นตามสายพันธุ์

บนชาร์ต 9V แสดงความเครียดจากการแตกร้าวที่คาดการณ์ไว้ที่ความน่าจะเป็นที่จะเกิดความล้มเหลว 50% (P(V) = 0.5) และค่าความเครียดแตกหักจากการทดลองโดยเฉลี่ยสำหรับสายพันธุ์ต่างๆ

เห็นได้ชัดว่าเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมเพิ่มขึ้นจาก 100 เป็น 350 มม. ความเครียดจากการแตกหักจะลดลงจาก 200–250 MPa เป็น 125–150 MPa ผลการจำลองการกระจายตัวของ Weibull สอดคล้องกับผลการสังเกตจริงอย่างดีเยี่ยม ข้อยกเว้นประการเดียวคือผมเพกคารีเนื่องจากมีรูพรุนมาก ความแข็งแรงที่แท้จริงของเส้นผมเพกคารีต่ำกว่าที่แสดงโดยแบบจำลองการกระจายแบบ Weibull

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับความแตกต่างของการศึกษาฉันขอแนะนำให้ดู รายงานของนักวิทยาศาสตร์ и วัสดุเพิ่มเติม ให้เขา.

ถ้อยคำส

ข้อสรุปหลักของข้อสังเกตข้างต้นก็คือ ผมหนาไม่เท่ากับผมแข็งแรง จริงตามที่นักวิทยาศาสตร์พูดเอง ข้อความนี้ไม่ใช่การค้นพบของสหัสวรรษ เนื่องจากมีข้อสังเกตที่คล้ายกันเมื่อศึกษาลวดโลหะ ประเด็นนี้ไม่ได้อยู่ในฟิสิกส์ กลศาสตร์ หรือชีววิทยาด้วยซ้ำ แต่ในสถิติ ยิ่งวัตถุมีขนาดใหญ่เท่าใด ขอบเขตของข้อบกพร่องก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่างานที่เราตรวจสอบในวันนี้จะช่วยให้เพื่อนร่วมงานสร้างวัสดุสังเคราะห์ชนิดใหม่ได้ ปัญหาหลักคือแม้จะมีการพัฒนาเทคโนโลยีสมัยใหม่ แต่ก็ยังไม่สามารถสร้างบางอย่างเช่นขนมนุษย์หรือขนช้างได้ ท้ายที่สุดแล้ว การสร้างสิ่งเล็กๆ น้อยๆ ถือเป็นความท้าทายอยู่แล้ว ไม่ต้องพูดถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนของมันด้วย

ดังที่เราเห็น การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าไม่เพียงแต่ใยแมงมุมเท่านั้นที่ควรค่าแก่ความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ในฐานะแรงบันดาลใจสำหรับวัสดุที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษและเบาเป็นพิเศษในอนาคต แต่เส้นผมของมนุษย์สามารถสร้างความประหลาดใจด้วยคุณสมบัติเชิงกลและความแข็งแกร่งที่น่าทึ่ง

ขอบคุณสำหรับการอ่าน อยากรู้อยากเห็นและมีสัปดาห์ที่ดี 🙂

โฆษณาบางส่วน🙂

ขอบคุณที่อยู่กับเรา คุณชอบบทความของเราหรือไม่? ต้องการดูเนื้อหาที่น่าสนใจเพิ่มเติมหรือไม่ สนับสนุนเราโดยการสั่งซื้อหรือแนะนำให้เพื่อน Cloud VPS สำหรับนักพัฒนา เริ่มต้นที่ $4.99, อะนาล็อกที่ไม่เหมือนใครของเซิร์ฟเวอร์ระดับเริ่มต้นซึ่งเราคิดค้นขึ้นเพื่อคุณ: ความจริงทั้งหมดเกี่ยวกับ VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps จาก $19 หรือจะแชร์เซิร์ฟเวอร์ได้อย่างไร (ใช้ได้กับ RAID1 และ RAID10 สูงสุด 24 คอร์ และสูงสุด 40GB DDR4)

Dell R730xd ถูกกว่า 2 เท่าในศูนย์ข้อมูล Equinix Tier IV ในอัมสเตอร์ดัม? ที่นี่ที่เดียวเท่านั้น 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ทีวีจาก $199 ในเนเธอร์แลนด์! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - จาก $99! อ่านเกี่ยวกับ วิธีสร้างบริษัทโครงสร้างพื้นฐาน ระดับด้วยการใช้เซิร์ฟเวอร์ Dell R730xd E5-2650 v4 มูลค่า 9000 ยูโรต่อเพนนี?

ที่มา: will.com