头发对于现代人来说无非是视觉自我认同的一个元素，是形象和形象的一部分。 尽管如此，皮肤的这些角质结构具有几个重要的生物功能：保护、温度调节、触摸等。 我们的头发有多坚固？ 事实证明，它们比大象或长颈鹿的毛发坚固许多倍。
今天我们将了解一项研究，美国加利福尼亚大学的科学家决定测试不同动物物种（包括人类）的毛发厚度及其强度之间的关系。 谁的头发最坚固，不同类型的头发具有哪些机械性能，这项研究如何帮助开发新型材料？ 我们从科学家的报告中了解到这一点。 去。
研究基础
毛发主要由角蛋白组成，是哺乳动物皮肤的角质结构。 事实上，头发、羊毛和毛皮是同义词。 头发的结构由相互重叠的角蛋白板组成，就像多米诺骨牌倒在彼此之上。 每根头发都有三层：角质层是外层和保护层； 皮质 - 皮质，由细长的死细胞组成（对于头发的强度和弹性很重要，由于黑色素决定其颜色）和髓质 - 头发的中央层，由软角蛋白细胞和气腔组成，是参与营养物质向其他蛋鸡的转移。
如果将头发垂直分开，我们会得到皮下部分（干）和皮下部分（球根或根）。 球茎周围有毛囊，毛囊的形状决定了头发本身的形状：圆形毛囊是直的，椭圆形毛囊是微卷的，肾形毛囊是卷曲的。
许多科学家认为，由于技术进步，人类进化正在发生变化。 也就是说，我们身体中的一些器官和结构逐渐变得简陋，失去了它们的预期用途。 这些身体部位包括智齿、阑尾和体毛。 换句话说，科学家相信，随着时间的推移，这些结构将会从我们的解剖结构中消失。 很难说这是否属实，但对于许多普通人来说，智齿等与去看牙医不可避免地要拔除有关。
尽管如此，一个人需要头发；它可能不再在体温调节中发挥重要作用，但它仍然是美学不可或缺的一部分。 世界文化也是如此。 在许多国家，自古以来，头发就被认为是一切力量的源泉，剪掉头发与可能的健康问题甚至生活失败有关。 头发的神圣意义从古代部落的萨满仪式迁移到更现代的宗教、作家、艺术家和雕塑家的作品中。 特别是，女性美往往与可爱女士的头发外观或描绘方式（例如在绘画中）密切相关。
请注意维纳斯的头发被描绘得多么细致（桑德罗·波提切利，《维纳斯的诞生》，1485）。
让我们抛开头发的文化和审美方面，开始考虑科学家的研究。
毛发以一种或另一种形式存在于许多哺乳动物物种中。 如果从生物学的角度来看，对于人类来说它们不再那么重要，那么对于动物世界的其他代表来说，羊毛和毛皮则是至关重要的属性。 同时，就其基本结构而言，人的头发和例如大象的头发非常相似，尽管存在差异。 其中最明显的是尺寸，因为大象的毛发比我们的毛发浓密得多，但事实证明，大象的毛发并不坚固。
科学家们研究头发和羊毛已经有一段时间了。 这些工作的成果不仅应用于美容、医学，还应用于轻工业（或者，如著名的 Kalugina L.P. 所说：“轻工业”），或者更准确地说，应用于纺织业。 此外，对头发的研究极大地帮助了基于角蛋白的生物材料的开发，他们在上世纪初学会了使用石灰从动物角中分离角蛋白。
由此获得的角蛋白用于制造凝胶，可以通过添加甲醛来增强凝胶的强度。 后来，他们学会了不仅从动物角中分离角蛋白，还从动物的皮毛以及人的头发中分离角蛋白。 基于角蛋白的物质已在化妆品、复合材料甚至片剂包衣中得到应用。
如今，研究和生产耐用轻质材料的行业正在迅速发展。 头发本来就是如此，是激发此类研究的天然材料之一。 考虑羊毛和人发的拉伸强度，其范围为 200 至 260 MPa，相当于 150-200 MPa/mg m-3 的比强度。 而这几乎可以与钢（250 MPa/mg m-3）相媲美。
头发机械性能形成的主要作用是其分层结构，让人想起俄罗斯套娃。 该结构最重要的元素是皮质细胞的内皮层（直径约 5 μm，长度 100 μm），由成群的大原纤维（直径约 0.2-0.4 μm）组成，而大原纤维又由中间丝（7.5 nm）组成直径），嵌入非晶基质中。
头发的机械特性及其对温度、湿度和变形的敏感性是皮质非晶态和晶态成分相互作用的直接结果。 人发皮质的角蛋白纤维通常具有高伸长率，拉伸应变超过40%。
如此高的值是由于结构的展开 а-角蛋白，在某些情况下，它转变为 b-角蛋白，这导致长度增加（0.52 nm螺旋的一整圈在配置中被拉伸到1.2 nm b）。 这是许多研究专门关注角蛋白以便以合成形式重新创造角蛋白的主要原因之一。 但我们已经知道，头发的外层（角质层）由板组成（厚 0.3-0.5 微米，长 40-60 微米）。
此前，科学家已经对不同年龄和种族人群的头发机械特性进行了研究。 在这项工作中，重点研究了不同动物物种毛发机械性能的差异，即：人类、马、熊、野猪、水豚、西貒、长颈鹿和大象。
研究结果
图片#1：人发形态（А - 角质层； В - 皮质骨折； 显示纤维的末端， С — 断层表面，可见三层； D - 皮质的侧面，显示纤维伸长）。
成人头发的直径约为 80-100 微米。 通过正常的头发护理，它们的外观是相当整体的（1А）。 人类头发的内部成分是纤维皮层。 经过拉伸测试，发现人发的角质层和皮质的断裂方式不同：角质层通常会磨蚀性地断裂（皱缩），而皮质中的角蛋白纤维会被剥离并从整体结构中拉出。1V).
在图片中 1S 通过可视化各层，角质层的脆弱表面清晰可见，这些层是重叠的角质层板，厚度为 350-400 nm。 在断裂表面观察到的分层以及该表面的脆性本质表明角质层和皮质之间以及皮质内纤维之间的界面连通较弱。
皮质中的角蛋白纤维脱落（1D）。 这表明纤维皮层主要负责头发的机械强度。
图片2：马毛形态（А - 角质层，由于缺乏护理，部分板块略有偏差； В - 破裂的出现； С — 皮质破裂的细节，可以看到撕裂的角质层； D - 角质层细节）。
马毛的结构与人发相似，只是直径大 50%（150 微米）。 图片中 2А 您可以看到角质层明显受损，其中许多板与发干的连接不像人类头发那样紧密。 马毛断裂的部位包含正常断裂和毛发断裂（角质层板分层）。 在 2V 两种类型的损坏都是可见的。 在片层已完全撕裂的区域，角质层和皮质之间的界面是可见的（2S）。 多根纤维在界面处被撕裂和分层。 将这些观察结果与之前的观察结果（人类头发）进行比较，这种失败表明，当皮层中的纤维被拉出并与角质层完全分离时，马毛没有承受与人类头发一样大的压力。 还可以看到一些板已经从杆上脱离，这可能是由于拉应力（2D).
图片#3：熊毛形态（А - 角质层； В ——与破裂区域相关的两点的损坏； С — 角质层破裂，皮质中纤维分层； D - 纤维结构的细节，可以看到一般结构中的几根细长纤维）。
熊毛的厚度为80微米。 角质层板彼此极其紧密地附着（3А），在某些地区甚至很难区分各个板块。 这可能是由于头发与邻近头发的摩擦造成的。 在拉伸应力下，这些毛发实际上会分裂，并出现长裂纹（插图上） 3B），表明由于受损角质层的结合作用较弱，皮质中的角蛋白纤维容易分层。 皮质分层导致角质层断裂，断裂的锯齿形图案就证明了这一点（3S）。 这种张力导致一些纤维被拉出皮质（3D).
图片4：野猪毛发形态（А - 普通扁平发际骨折； В — 角质层的结构表明板的完整性（分组）状态较差； С — 角质层和皮质之间界面间隙的细节； D - 从总质量和突出原纤维中拉长的纤维）。
野猪毛相当厚（230 毫米），尤其是与熊毛相比。 野猪毛受损时的撕裂看起来非常明显（4А）垂直于拉应力方向。
由于边缘拉伸，相对较小的暴露角质层板从头发主体上撕下（4V).
在破坏区的表面，纤维的分层清晰可见；同时也可以清楚地看到，它们在皮质内部相互连接得非常紧密（4S）。 由于分离，仅皮质和角质层之间的界面处的纤维暴露出来（4D），揭示了厚皮层原纤维（直径 250 nm）的存在。 一些原纤维因变形而略微突出。 它们应该充当野猪毛发的强化剂。
图片#5：大象毛发形态（А - С）和长颈鹿（D - F). А - 角质层； В - 逐步断发； С - 头发内部的空隙表明纤维被撕裂的地方。 D - 角质板； Е - 甚至头发断裂； F - 纤维从断裂区域的表面撕裂。
小象的毛发厚度约为 330 微米，成年大象的毛发厚度可达 1.5 毫米。 表面的板材很难区分（5А）。大象的毛发也容易发生正常断裂，即至纯拉伸断裂。 此外，断口形貌呈现阶梯状（5V），可能是由于头发皮质存在轻微缺陷。 断裂面上还可以看到一些小孔，这些小孔很可能在损坏之前就位于这些小孔中（5S).
长颈鹿的毛发也相当厚（370微米），尽管角质层板的排列不是那么清晰（5D）。 据信，这是由于各种环境因素对它们造成的损害（例如，进食时与树木的摩擦）。 尽管存在差异，长颈鹿的断发与大象的断发相似（5F).
图片六：水豚毛发形态（А - 板材的双角质层结构； В — 双层结构破裂； С — 断裂边界附近的纤维显得又脆又硬； D - 来自双结构破裂区的细长纤维）。
水豚和西貒的毛发与所研究的所有其他毛发不同。 水豚的主要区别是存在双角质层结构和椭圆形毛发形状（6А）。 毛发两个镜面部分之间的凹槽对于更快地去除动物皮毛上的水分以及更好的通风是必要的，从而使其更快干燥。 当受到拉伸时，头发沿着凹槽分成两部分，每一部分都被破坏（6V）。 皮质的许多纤维被分离和拉伸（6S и 6D).
图片#7：西貒毛形态（А - 角质层的结构和破裂位置； В — 皮质破坏的形态及其结构细节； С — 闭孔（直径 20 微米），其壁由纤维组成； D - 细胞壁）。
西貒（家族 鲫鱼科， IE。 西貒毛有一个多孔的皮质，角质层没有明显的板（7А）。 毛皮层含有 10-30 微米的封闭细胞（7V），其壁由角蛋白纤维（7S）。 这些壁非常多孔，一个孔的大小约为 0.5-3 微米（7D).
如图所示 7А，失去了纤维皮层的支撑，角质层沿着断裂线裂开，有的地方纤维被拉出。 这种毛发结构是必要的，可以使毛发更加垂直，在视觉上增加动物的体型，这可能是西貒的一种防御机制。 西貒毛能很好地抵抗压缩，但不能抵抗拉伸。
在了解了不同动物毛发的结构特征以及它们因张力而受损的类型后，科学家们开始描述其机械特性。
第 8 号图像：每种头发类型的变形图以及用于获取数据的实验装置图（应变率 10-2 s-1）。
从上图可以看出，不同动物物种的毛发对拉伸的反应有很大不同。 因此，人、马、野猪和熊的头发表现出类似于羊毛（不是别人的，而是纺织材料）的反应。
在 3.5–5 GPa 的相对较高弹性模量下，曲线由线性（弹性）区域组成，随后是一个应力缓慢增加至应变 0.20–0.25 的平台，此后硬化速率显着增加，直到达到失效应变为0.40。 高原区指的是放松 а-角蛋白中间丝的螺旋结构，在某些情况下可以（部分）转变为 b-板材（平面结构）。 完全展开导致变形为 1.31，明显高于此阶段结束时的变形 (0.20-0.25)。
该结构的结晶线状部分被不变形的非晶基质包围。 非晶部分约占总体积的 55%，但前提是中间丝的直径为 7 nm，并且它们被 2 nm 的非晶材料分隔开。 此类精确指标已在之前的研究中得出。
在变形的硬化阶段，滑动发生在皮质纤维之间以及较小的结构元素（例如微纤维、中间丝和无定形基质）之间。
长颈鹿、大象和西貒的毛发表现出相对线性的硬化反应，高原和快速硬化区域（峰值）之间没有明显的区别。 弹性模量较低，约为2GPa。
与其他物种不同，水豚的毛发在连续施加压力时会表现出快速硬化的反应。 这一观察结果与水豚毛发的不寻常结构有关，或者更准确地说，与水豚毛发的两个对称部分和它们之间的纵向凹槽的存在有关。
先前的研究表明，不同动物物种的杨氏模量（纵向弹性模量）随着毛发直径的增加而降低。 这些作品指出，西貒的杨氏模量明显低于其他动物，这可能是由于其毛发结构的孔隙率所致。
同样奇怪的是，西貒的毛发上同时有黑色和白色区域（两种颜色）。 拉伸断裂最常发生在头发的白色区域。 黑色区域的抵抗力增加是由于黑素体的存在，黑素体只存在于黑发中。
所有这些观察结果确实是独一无二的，但主要问题仍然存在：头发的尺寸对其强度是否起作用？
如果我们描述哺乳动物的毛发，我们可以强调研究人员已知的主要事实：
- 在大多数类型的头发中，中央部分较粗，向末端逐渐变细； 野生动物因其栖息地的缘故，皮毛较厚；
- 一个物种的毛发直径的变化表明大多数毛发的厚度在给定动物物种的一般厚度范围内变化。 同一物种的不同代表之间的毛发厚度可能有所不同，但影响这种差异的因素仍然未知。
- 不同种类的哺乳动物有不同的毛发厚度（这听起来可能很陈词滥调）。
通过总结这些公开的事实和实验过程中获得的数据，科学家们能够比较所有结果，以形成头发厚度和强度之间的关系。
图片 9：不同动物物种的毛发厚度与其强度之间的关系。
由于头发直径和延伸性的差异，科学家们决定看看是否可以根据威布尔统计来预测它们的拉应力，该统计可以具体解释样本大小和由此产生的缺陷大小的差异。
假设具有体积的头发片段 V 包括 n 体积元素和每个单位体积 V0 具有相似的缺陷分布。 在给定电压水平下使用最薄弱环节假设 σ 机会 P 保持给定头发片段的完整性和体积 V 可以表示为保持每个体积元素完整性的附加概率的乘积，即：
P(V）= P(V0）· P(V0）……· P(V0)=· P(V0)n
音量在哪里 V 包含n个体积元素 V0。 随着电压增加 P(V）自然减少。
使用二参数威布尔分布，整个体积的失效概率可以表示为：
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 ·（σ/σ0）米]
哪里 σ — 施加电压， σ0 是特征（参考）强度，并且 m — 威布尔模量，它是属性变异性的度量。 值得注意的是，破坏的概率随着样本量的增加而增加 V 在恒定电压下 σ.
在图表上 9А 显示了人类和水豚毛发实验失效应力的威布尔分布。 使用公式 #2 预测其他物种的曲线，其中 m 值与人类头发相同（m 0.11）。
使用的平均直径为：野猪 - 235 µm、马 - 200 µm、西貒 - 300 µm、熊 - 70 µm、大象毛 - 345 µm 和长颈鹿 - 370 µm。
基于以下事实，断裂应力可在以下位置确定： P(V) = 0.5，这些结果表明，随着物种间毛发直径的增加，破坏应力减小。
在图表上 9V 显示 50% 失效概率时的预测断裂应力（P(V) = 0.5) 和不同物种的平均实验断裂应力。
很明显，随着头发直径从 100 毫米增加到 350 毫米，其断裂应力从 200-250 兆帕降低到 125-150 兆帕。 威布尔分布模拟结果与实际观测结果非常吻合。 唯一的例外是西貒毛，因为它的孔隙非常多。 西貒毛的实际强度低于威布尔分布模型显示的强度。
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 и 对他
结语
上述观察的主要结论是，浓密的头发并不等于强韧的头发。 确实，正如科学家们自己所说，这一说法并不是千禧年的发现，因为在研究金属线时也进行了类似的观察。 这里的要点甚至不是在物理学、力学或生物学中，而是在统计学中——物体越大，缺陷的范围就越大。
科学家相信，我们今天回顾的工作将帮助他们的同事创造新的合成材料。 主要问题是，尽管现代技术不断发展，但它们还无法制造出像人类或大象头发这样的东西。 毕竟，创造如此小的东西已经是一个挑战，更不用说其复杂的结构了。
正如我们所看到的，这项研究表明，不仅蜘蛛丝值得科学家关注，作为未来超强和超轻材料的灵感，而且人类的头发也能以其机械性能和惊人的强度令人惊讶。
感谢您的阅读，保持好奇心，祝大家度过愉快的一周。 🙂
一些广告🙂
感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的内容？ 通过下订单或推荐给朋友来支持我们， , 我们为您发明的入门级服务器的独特模拟： （适用于 RAID1 和 RAID10，最多 24 个内核和最多 40GB DDR4）。
Dell R730xd 在阿姆斯特丹的 Equinix Tier IV 数据中心便宜 2 倍？ 只有这里 在荷兰！ Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 美元起！ 阅读
来源： habr.com