Волосся для сучасної людини є не більше ніж елементом візуальної самоідентифікації, частиною іміджу та образу. Незважаючи на це дані рогові утворення шкіри мають кілька важливих біологічних функцій: захист, терморегуляція, дотик і т.д. Наскільки ж міцне наше волосся? Як виявилося, вони в рази міцніші за волосся слона або жирафа.
Сьогодні ми з вами познайомимося з дослідженням, в якому вчені з Каліфорнійського університету (США) вирішили перевірити, як корелює товщина волосся та його міцність у різних видів тварин, включаючи людину. Чиє волосся виявилося найміцнішим, які механічні властивості мають волосся різних видів і як дане дослідження може допомогти в розробці нових типів матеріалів? Про це ми дізнаємось із доповіді вчених. Поїхали.
Основа дослідження
Волосся, що складається переважно з білка кератину, це рогові утворення шкіри ссавців. За фактом, волосся, шерсть та хутро є синонімами. За своєю структурою волосся складається з пластинок кератину, які накладаються один на одного, як кісточки доміно, що впали один на одного. Кожне волосся має три шари: кутикула – зовнішній та захисний шар; кортекс - кіркова речовина, що складається з подовжених мертвих клітин (важливий для міцності та еластичності волосся, визначає його колір за рахунок меланіну) і мозкова речовина - центральний шар волосся, що складається з м'яких кератинових клітин та повітряних порожнин, який бере участь у передачі поживних речовин до інших верствам.
Якщо волосся розділяти вертикально, ми отримаємо надшкірний ділянку (стрижень) і підшкірний (цибулина чи корінь). Цибулина оточена фолікулом, від форми якого залежить і форма самого волосся: круглий фолікул - прямий, овальний фолікул - трохи кучерявий, ниркоподібний фолікул - кучерявий.
Багато вчених припускають, що через технологічний прогрес змінюється еволюція людини. Тобто деякі органи та структури у нашому тілі поступово стають рудиментарними — такими, що втратили своє цільове призначення. До таких частин тіла можна віднести зуби мудрості, апендикс та волосяний покрив на тілі. Іншими словами, вчені вважають, що з часом ці структури просто зникнуть із нашої анатомії. Так це чи ні, сказати складно, але для багатьох обивателів зуби мудрості, наприклад, асоціюються з відвідуванням стоматолога для їхнього неминучого вилучення.
Як би там не було, волосся людині потрібне, може воно вже і не відіграє найважливішу роль у терморегуляції, але в естетиці поки є невід'ємною частиною. Те саме можна сказати і про світову культуру. У багатьох країнах споконвіку волосся вважалося джерелом всієї сили, а його обрізання пов'язували з можливими проблемами зі здоров'ям і навіть невдачами по життю. Сакральне значення волосся перекочувало від шаманських ритуалів стародавніх племен до сучасніших релігій, робіт письменників, художників та скульпторів. Зокрема, жіноча краса часто була тісно пов'язана з тим, як виглядало або зображалося (наприклад, на картинах) волосся милих дам.
Зверніть увагу, наскільки детально зображено волосся Венери (Сандро Боттічеллі, «Народження Венери», 1485).
Залишимо осторонь культурний та естетичний аспект волосся та приступимо до розгляду дослідження вчених.
Волосся, у тому чи іншому вигляді, є у багатьох видів ссавців. Якщо для людини вони не настільки важливі з біологічної точки зору, то для інших представників тваринного світу шерсть і хутро це життєво важливі атрибути. При цьому за своєю основною структурою волосся людини і, наприклад, слона дуже схожі, хоча є відмінності. Найочевидніше з них це габарити, адже волосся слона набагато товщі за наше, але, як виявилося, не міцніше.
Волосся та шерсть вчені вивчають вже досить давно. Результати цих праць були реалізовані як у косметології та медицині, так і в легкій промисловості (або як би сказала відома Калугіна Л.П.: «легенької промисловості»), а точніше у текстильній. Крім того, вивчення волосся сильно допомогло в галузі розробки біоматеріалів на основі кератину, який ще на початку минулого століття навчилися виділяти з рогів тварин за допомогою вапна.
Отриманий таким чином кератин використовували для створення гелів, які можна зміцнити за допомогою додавання формальдегіду. Пізніше виділяти кератин навчилися не лише з рогів тварин, а й з їхньої вовни, а також із волосся людини. Речовини, створені на основі кератину, знайшли своє застосування у косметиці, композитах та навіть у покритті для таблеток.
У наші дні стрімко розвивається галузь вивчення та виробництва міцних та легких матеріалів. Волосся, будучи такими від природи, є одним із природних матеріалів, що надихають на подібні дослідження. Чого варта межа міцності на розтягнення вовни та людського волосся, що становить від 200 до 260 МПа, що еквівалентно питомій міцності 150-200 МПа/мг м-3. А це практично можна порівняти зі сталлю (250 МПа/мг м-3).
Основну роль формуванні механічних властивостей волосся грає його ієрархічна структура, що нагадує матрьошку. Найважливішим елементом цієї структури є внутрішній кортекс із кіркових клітин (діаметр близько 5 мкм, а довжина 100 мкм), що складаються з згрупованих макрофібрил (діаметр близько 0.2-0.4 мкм), які, у свою чергу, складаються з проміжних філаментів (7.5 н ), вбудованих в аморфну матрицю.
Механічні властивості волосся, його чутливість до температури, вологості та деформації є прямим результатом взаємодії аморфного та кристалічного компонентів кортексу. Кератинові волокна кортексу волосся людини зазвичай мають більшу розтяжність з деформацією на розрив понад 40%.
Таке високе значення обумовлено розмотуванням структури а-кератину і, в деяких випадках, його перетворенням на b-кератин, що призводить до збільшення довжини (повний оберт спіралі 0.52 нм розтягується до 1.2 нм у конфігурації b). Це і є однією з основних причин, чому багато досліджень зосередилися саме на кератині, щоб відтворити його у синтетичній формі. А ось зовнішній шар волосся (кутикула), як ми вже знаємо, складається з пластин (товщиною 0.3-0.5 мкм і 40-60 мкм у довжину).
Раніше вчені вже проводили дослідження механічних властивостей волосся людей із різних вікових та етнічних груп. У даній праці акцент був поставлений на вивченні різниці механічних властивостей волосся різних видів тварин, а саме: людина, кінь, ведмідь, кабан, капібара, пекарі, жираф і слон.
Результати дослідження
Зображення №1: морфологія людського волосся (А - кутикула; В - Розлом кортексу; показує кінці волокон, С - Поверхня розлому, де видно три шари; D - Латеральна поверхня кортексу, що показує витягування волокна).
Волосся дорослої людини в діаметрі становить близько 80-100 мкм. При нормальному догляді за волоссям їх зовнішній вигляд досить цілісний.1А). Внутрішнім компонентом волосся є фіброзний кортекс. Після випробування на розтягнення було виявлено, що кутикула та кортекс людського волосся ламалися по-різному: кутикула зазвичай ламалася абразивно (кришилася), а кератинові волокна в кортексі були відшаровані та витягнуті із загальної структури (1В).
на знімку 1С Виразно видно крихку поверхню кутикули з візуалізацією шарів, які є пластинками кутикули, що перекривають один одного, і мають товщину 350–400 нм. Розшарування, що спостерігається, на поверхні руйнування, а також тендітна природа цієї поверхні показують слабкий міжфазний зв'язок між кутикулою і кортексом, а також між волокнами всередині кортексу.
Кератинові волокна в кортексі були розшаровані (1D). Це говорить про те, що волокнистий кортекс насамперед відповідає за механічну міцність волосся.
Зображення №2: морфологія кінського волосу (А - кутикула, деякі пластинки якої трохи відхилені через брак догляду; В - Зовнішній вигляд розриву; С - Деталі розриву кортексу, де видно відірвана кутикула; D - Деталі кутикули).
Структура кінського волосся схожа на людське, за винятком діаметра, який на 50% більше (150 мкм). На знімку 2А можна побачити явні пошкодження кутикули, де багато платівок не так тісно пов'язані зі стрижнем, як це було на волоссі людини. Місце розриву кінського волосся містить як звичайний розлом, так і розрив волосся (розшарування пластинок кутикули). на 2В видно обидва варіанти ушкоджень. На ділянках, де пластинки повністю відірвалися, видно інтерфейс між кутикулою та кортексом (2С). Декілька волокон були вирвані і розшаровувалися в області інтерфейсу. Порівнюючи дані спостереження з попередніми (людське волосся), подібні руйнування вказують на те, що волосся коня не зазнавало такої ж сильної напруги, як людське волосся, коли волокна в кортексі були витягнуті і повністю відшаровані від кутикули. Також видно, що деякі пластинки від'єдналися від стрижня, що може бути пов'язане з напругою розтягування (2D).
Зображення №3: морфологія ведмежого волосся (А - кутикула; В - Ушкодження у двох точках, пов'язаних з областю розриву; С - розтріскування кутикули з розшаровуванням волокон у кортексі; D - Деталі структури волокон, видно кілька витягнутих волокон із загальної структури).
Товщина ведмежого волосся становить 80 мкм. Платівки кутикули дуже щільно прикріплені один одному (3А), а в деяких ділянках навіть складно розрізнити окремі платівки. Подібне може бути пов'язане з тертям волосся про сусідні. При розтягуючій напрузі це волосся буквально розщеплювалися з появою довгих тріщин (вставка на 3B), що вказує на те, що при слабкому сполучному ефекті пошкодженої кутикули кератинові волокна в кортексі легко розшаровувалися. Розшарування кортексу викликає розрив на кутикулі, що підтверджується зигзагоподібним малюнком розлому (3С). Ця напруга призводить до витягування деяких волокон з кортексу (3D).
Зображення №4: морфологія волосся кабана (А - Звичайний плоский перелом волосся; В - Структура кутикули демонструє поганий стан цілісності (згрупованості) платівок; С - Деталі розриву на інтерфейсі між кутикулою і кортексом; D - Витягнуті із загальної маси волокна і виступаючі фібрили).
Волосся кабана досить товсті (230 мм), особливо в порівнянні з ведмежими. Розрив волосся кабана при пошкодженні виглядає досить чітко.4А) перпендикулярно напрямку напруги при розтягуванні.
Відносно малі оголені платівки кутикули були відірвані від основного тіла волосся через розтягнення їх країв (4В).
На поверхні зони руйнування чітко видно розшарування волокон, також видно, що вони дуже щільно пов'язані між собою всередині кортексу (4С). Тільки волокна на інтерфейсі між кортексом і кутикулою були оголені через поділ (4D), що виявило наявність товстих фібрил кортексу (250 нм у діаметрі). Деякі з фібрил злегка виступили назовні через деформацію. Передбачається, що вони служать як зміцнення волосся кабана.
Зображення №5: морфологія волосся слона (А - С) та жирафа (D - F). А - кутикула; В - ступінчастий надлам волосся; С - Порожнечі всередині волосся вказують, де були вирвані волокна. D - Кутикулярні пластинки; Е - рівний надлам волосся; F — волокна, вирвані із поверхні області надлому.
Волосся слоненя може бути товщиною близько 330 мкм, а у дорослого досягати 1.5 мм. Платівки на поверхні складно помітні (5А). Волосся слона також схильний до нормального руйнування, тобто. до чистого розлому під час розтягування. Причому морфологія поверхні руйнування демонструє ступінчастий вигляд.5В), можливо, обумовлений наявністю незначних дефектів у кортексі волосся. На поверхні розлому можна побачити деякі невеликі отвори, де до пошкодження, ймовірно, розташовувалися зміцнюючі фібрили (5С).
У жирафу волосся також досить товсте (370 мкм), хоча розташування пластинок кутикули не таке чітке (5D). Вважається, що це пов'язано з їх ушкодженням різними факторами довкілля (наприклад, тертя дерева під час харчування). Незважаючи на відмінності, розлом волосся у жирафа був схожий на такий у слона (5F).
Зображення №6: морфологія волосся капібари (А - подвійна кутикулярна структура пластин; В - Розрив подвійної структури; С — волокна поруч із межею розриву здаються крихкими та жорсткими; D - Витягнуті волокна із зони розриву подвійної структури).
Волосся капібари і пекарі відрізняються від решти всіх досліджуваних волосся. У капібари основною відмінністю є наявність подвійної конфігурації кутикули та овальна форма волосся (6А). Борозна між двома дзеркальними частинами волосся необхідна для швидшого видалення води з вовни тварини, а також для кращої вентиляції, що дозволяє швидше висохнути. При дії розтягування волосся поділяється на дві частини вздовж борозенки, а кожна частина руйнується (6В). Багато волокна кортексу розшаровуються і витягуються (6С и 6D).
Зображення №7: морфологія волосся пекарі (А - будова кутикули та місце розриву; В - морфологія руйнування кортексу та деталі її структури; С - Закриті осередки (20 мкм в діаметрі), стінки яких складаються з волокон; D - Стіни осередків).
У пекарі (родина Tayassuidae, тобто. пекарієве) волосся має пористий кортекс, а шар кутикули не має чітких пластинок (7А). Кортекс волосся містить закриті комірки розміром 10-30 мкм (7В), стінки яких складаються з кератинових волокон (7С). Ці стінки досить пористі, а розмір однієї пори становить близько 0.5-3 мкм (7D).
Як видно на знімку 7Абез підтримки волокнистого кортексу кутикула розтріскується по лінії розриву, а волокна в деяких місцях витягуються. Подібна структура волосся необхідна для того, щоб волосся було більш вертикальним, візуально збільшуючи розмір тварини, що може бути захисним механізмом пекарі. Волосся пекарі досить добре протистоять стиску, але з розтягненням не справляється.
Розібравшись зі структурними особливостями волосся різних тварин, а також їх типами ушкоджень через натяг, вчені приступили до опису механічних властивостей.
Зображення №8: діаграма деформування для кожного з типів волосся та схема експериментальної установки для отримання даних (швидкість деформації 10-2 с-1).
Як видно з графіка вище, реакція на розтяг у волосся різних видів тварин була досить різною. Так, волосся людини, коня, кабана і ведмедя показали реакцію схожу на реакцію вовни (не чиєїсь, а текстильного матеріалу).
При відносно високому модулі пружності, що дорівнює 3.5-5 ГПа, криві складаються з лінійної (пружної) області, за якою слідує плато з напругою, що повільно зростає, до деформації 0.20-0.25, після чого швидкість зміцнення значно зростає до деформації руйнування в 0.40. Область плато відноситься до розмотування а-спіральної структури кератинових проміжних філаментів, які в деяких випадках можуть (частково) перетворюватися на b-аркуші (плоскі структури). Повне розмотування призводить до деформації 1.31, що значно вище, ніж наприкінці цієї стадії (0.20–0.25).
Кристалічна ниткоподібна частина структури оточена аморфною матрицею, яка не трансформується. Аморфна частина становить близько 55% від загального обсягу, але лише за умови, що діаметр проміжних ниток дорівнює 7 нм і вони розділені аморфним матеріалом на 2 нм. Такі точні показники було виведено у раніше проведених дослідженнях.
На стадії деформації, що характеризується зміцненням, відбувається ковзання між кортикальними волокнами, а також між дрібнішими структурними елементами, такими як мікрофібрили, проміжні нитки та аморфна матриця.
Волосся жирафу, слона та пекарі демонструють відносно лінійну реакцію зміцнення без чіткої різниці між плато та областями швидкого зміцнення (піками). Модуль пружності відносно низький і дорівнює близько 2 гПа.
На відміну від інших видів, волосся капібари демонструють реакцію, що характеризується швидким зміцненням, на яке накладаються послідовні напруження. Це спостереження пов'язане з незвичайною структурою волосся капібари, а точніше з наявністю двох симетричних частин та поздовжньої борозни між ними.
Раніше вже проводилися дослідження, які говорили про те, що модуль Юнга (модуль поздовжньої пружності) зменшується зі збільшенням діаметра волосся у різних видів тварин. У цих працях зазначалося, що модуль Юнга у пекарі значно нижчий, ніж в інших тварин, що може бути пов'язане з пористістю його волосся.
Цікаво й те, що пекарі мають і чорні, і білі ділянки на волоссі (двоколірність). Розриви при розтягуванні відбуваються найчастіше саме у білій ділянці волосся. Підвищена стійкість чорної області пояснюється наявністю меланосом, яка зустрічається виключно у чорному волоссі.
Всі ці спостереження справді унікальні, але залишається головне питання — чи відіграють роль габарити волосся на його міцність?
Якщо описувати волосся у ссавців, можна виділити основні факти, які відомі дослідникам:
- у більшості видів волосся товщі у центральній частині і звужується до кінця; шерсть диких тварин більш товста через довкілля їх проживання;
- зміни діаметра волосків одного виду показує, що товщина більшості волосків варіюється в межах загального діапазону товщини даного виду тварини. Товщина волосків у різних представників одного виду може відрізнятися, проте що на цю відмінність впливає поки що невідомо;
- у різних видів ссавців різна товщина волосся (хоч би як банально це звучало).
Підсумовуючи ці загальнодоступні факти та отримані в ході дослідів дані, вчені змогли зіставити всі результати для формування залежностей товщини волосся та його міцності.
Зображення №9: відношення товщини волосся та його міцності у різних видів тварин.
Через відмінності в діаметрі та розтяжності волосся вчені вирішили з'ясувати, чи можна передбачити їх напругу на розрив на основі статистики Вейбулла, яка може конкретно враховувати відмінності у розмірі зразка та результуючому розмірі дефекту.
Передбачається, що сегмент волосся з об'ємом V складається з n елементів обсягу, причому кожен одиничний обсяг V0 має аналогічний розподіл дефектів. Використовуючи припущення про найслабшу ланку, при цьому рівні напруги σ ймовірність P збереження цілісності даного сегмента волосся з об'ємом V може бути виражена як добуток ймовірностей збереження цілісності кожного з елементів обсягу, а саме:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
де обсяг V містить n елементів об'єму V0. При збільшенні напруги P(V) природним чином зменшується.
Використовуючи двопараметричний розподіл Вейбулла, ймовірність руйнування всього обсягу може бути виражена як:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
де σ - Додаткова напруга, σ0 - характерна (еталонна) міцність, а m - Модуль Вейбулла, який є мірою мінливості властивостей. Варто зазначити, що ймовірність руйнування збільшується зі збільшенням обсягу вибірки V при постійній напрузі σ.
На графіку 9А показано розподіл Вейбулла експериментальних руйнівних напруг для волосся людини та капібари. Криві для інших видів були передбачені з використанням формули №2 з тим самим значенням m, що і для волосся людини (m = 0.11).
Як середній діаметр використовувалися: кабан - 235 мкм, кінь - 200 мкм, пекарі - 300 мкм, ведмідь - 70 мкм, слоновий волосся - 345 мкм і жираф - 370 мкм.
Виходячи з того, що руйнівна напруга може бути визначена при P(V) = 0.5, ці результати показують, що руйнівна напруга зменшується зі збільшенням діаметра волосся у різних видів.
На графіку 9В показано прогнозовану розривну напругу при 50% ймовірності руйнування (P(V) = 0.5) та середня експериментальна розривна напруга для різних видів.
Стає ясно, що при збільшенні діаметра волосся від 100 до 350 мм його руйнівна напруга зменшується з 200-250 МПа до 125-150 МПа. Результати моделювання з розподілу Вейбулла чудово узгоджуються з результатами фактичних спостережень. Єдиним винятком є волосся пекарі, оскільки воно вкрай пористе. Фактична міцність волосся пекарі нижче, ніж показало моделювання з розподілу Вейбулла.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у и до нього.
Епілог
Основний висновок вищеописаних спостережень у тому, що товсте волосся це еквівалент міцних. Щоправда, як кажуть самі вчені, ця заява не є відкриттям тисячоліття, оскільки подібні спостереження були зроблені і щодо металевого дроту. Тут справа навіть не у фізиці, механіці чи біології, а у статистиці — чим більше об'єкт, тим більший простір для дефектів.
Вчені вірять, що розглянута нами сьогодні праця допоможе їхнім колегам створити нові синтетичні матеріали. Основна проблема в тому, що незважаючи на розвиненість сучасних технологій, вони поки що не здатні створити щось подібне до волосся людини або слона. Адже створити щось таке мале це вже виклик, не кажучи вже про його складну структуру.
Як бачимо, це дослідження показало, що не тільки павучий шовк вартий уваги вчених як натхнення майбутніх для надміцних і надлегких матеріалів, а й волосся людини здатні дивувати своїми механічними властивостями і дивовижною міцністю.
Дякую за увагу, залишайтеся цікавими і хорошим для всіх робочого тижня, хлопці. 🙂
Небагато реклами 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, , унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd вдвічі дешевше в дата-центрі Equinix Tier IV в Амстердамі? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com