El cabello para una persona moderna no es más que un elemento de autoidentificación visual, parte de la imagen y la imagen. A pesar de esto, estas formaciones de piel córnea tienen varias funciones biológicas importantes: protección, termorregulación, tacto, etc. ¿Qué tan fuerte es nuestro cabello? Al final resultó que, son muchas veces más fuertes que el pelo de un elefante o una jirafa.
Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que científicos de la Universidad de California (EE. UU.) Decidieron verificar cómo el grosor del cabello y su fuerza se correlacionan en diferentes especies de animales, incluidos los humanos. ¿Qué cabello resultó ser el más duradero, qué propiedades mecánicas poseen los cabello de diferentes tipos y cómo puede ayudar este estudio en el desarrollo de nuevos tipos de materiales? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos
Base de estudio
El cabello, que consiste principalmente en proteína de queratina, es la formación de piel córnea de los mamíferos. De hecho, pelo, lana y pieles son sinónimos. En su estructura, el cabello consiste en placas de queratina, que se superponen entre sí, como los nudillos de dominó que caen entre sí. Cada cabello tiene tres capas: cutícula: la capa externa y protectora; corteza: una sustancia cortical que consiste en células muertas alargadas (importante para la fuerza y la elasticidad del cabello, determina su color debido a la melanina) y la médula: la capa central del cabello, que consiste en células de queratina suave y cavidades de aire, que participan en la transferencia de nutrientes a otros capas
Si el cabello se divide verticalmente, obtenemos el área cutánea (tallo) y subcutánea (bulbo o raíz). El bulbo está rodeado por un folículo, de cuya forma depende la forma del cabello: un folículo redondo, una línea recta, un folículo ovalado, ligeramente rizado, un folículo en forma de riñón, rizado.
Muchos científicos sugieren que debido al progreso tecnológico, la evolución humana está cambiando. Es decir, algunos órganos y estructuras en nuestro cuerpo se están volviendo gradualmente rudimentarios, aquellos que han perdido su propósito. Tales partes del cuerpo incluyen muelas del juicio, apéndice y rayita en el cuerpo. En otras palabras, los científicos creen que con el tiempo, estas estructuras simplemente desaparecerán de nuestra anatomía. Si es cierto o no, es difícil de decir, pero para muchas personas comunes, las muelas del juicio, por ejemplo, están asociadas con la visita a un dentista para su extracción inevitable.
Sea como fuere, una persona necesita cabello, tal vez ya no juegue un papel crucial en la termorregulación, pero en estética todavía es una parte integral. Lo mismo puede decirse de la cultura mundial. En muchos países, desde tiempos inmemoriales, el cabello se consideraba la fuente de toda la fuerza, y su circuncisión se asociaba con posibles problemas de salud e incluso con fallos en la vida. El significado sagrado del cabello migró de los rituales chamánicos de las tribus antiguas a las religiones más modernas, las obras de escritores, artistas y escultores. En particular, la belleza femenina a menudo estaba estrechamente relacionada con la forma en que se veía o representaba el cabello de las damas encantadoras (por ejemplo, en pinturas).
Observe cuán detallado es el cabello de Venus (Sandro Botticelli, El nacimiento de Venus, 1485).Dejemos de lado el aspecto cultural y estético del cabello y procedamos a considerar el estudio de los científicos.
El cabello, de una forma u otra, está presente en muchas especies de mamíferos. Si para los humanos ya no son tan importantes desde un punto de vista biológico, entonces para otros representantes del mundo animal, la lana y el pelaje son atributos vitales. Además, en su estructura básica, el cabello humano y, por ejemplo, el pelo de elefante son muy similares, aunque existen diferencias. El más obvio de ellos son las dimensiones, porque el pelo de un elefante es mucho más grueso que el nuestro, pero resultó que no era más fuerte.
Los científicos han estado estudiando el cabello y la lana durante bastante tiempo. Los resultados de estos trabajos se implementaron tanto en cosmetología y medicina como en la industria ligera (o, por así decirlo, la conocida Kalugina L.P .: "industria ligera"), o más bien, en la industria textil. Además, el estudio del cabello ayudó mucho en el desarrollo de biomateriales basados en la queratina, que a principios del siglo pasado aprendió a aislarse de los cuernos de los animales con cal.
La queratina obtenida de este modo se usó para crear geles que podrían fortalecerse mediante la adición de formaldehído. Más tarde aprendieron a aislar la queratina no solo de los cuernos de los animales, sino también de su cabello, así como del cabello humano. Las sustancias creadas a base de queratina han encontrado su aplicación en cosméticos, compuestos e incluso en el recubrimiento para tabletas.
Hoy, la industria del estudio y la producción de materiales fuertes y livianos se está desarrollando rápidamente. El cabello, siendo así por naturaleza, es uno de los materiales naturales que inspiran tales estudios. ¿Cuál es la resistencia a la tracción de la lana y el cabello humano, que varía de 200 a 260 MPa, que es equivalente a una resistencia específica de 150-200 MPa / mg m
-3 . Y esto es casi comparable al acero (250 MPa / mg m
-3 ).
El papel principal en la formación de las propiedades mecánicas del cabello lo desempeña su estructura jerárquica que se asemeja a una muñeca que anida. El elemento más importante de esta estructura es la corteza interna de las células corticales (diámetro de aproximadamente 5 μm y longitud de 100 μm), que consta de macro fibrillas agrupadas (diámetro de aproximadamente 0.2-0.4 μm), que, a su vez, consisten en filamentos intermedios (7.5 nm de diámetro ) incrustado en la matriz amorfa.
Las propiedades mecánicas del cabello, su sensibilidad a la temperatura, la humedad y la deformación son un resultado directo de la interacción de los componentes amorfos y cristalinos de la corteza. Las fibras de queratina de la corteza del cabello humano generalmente tienen mayores propiedades de tracción con una tensión de tracción de más del 40%.
Un valor tan alto se debe al desenrollado de la estructura de la
α- queratina y, en algunos casos, a su conversión a
β- queratina, lo que conduce a un aumento de la longitud (una revolución de hélice completa de 0,52 nm se extiende a 1,2 nm en la configuración
b ). Esta es una de las razones principales por las que muchos estudios se centraron en la queratina para recrearla en forma sintética. Pero la capa externa del cabello (cutícula), como ya sabemos, consiste en placas (0.3–0.5 μm de espesor y 40–60 μm de largo).
Anteriormente, los científicos ya habían realizado un estudio de las propiedades mecánicas del cabello de personas de diferentes edades y grupos étnicos. En este trabajo, se hizo hincapié en estudiar la diferencia en las propiedades mecánicas del cabello de diferentes especies animales, a saber: hombre, caballo, oso, jabalí, capibara, panaderos, jirafas y elefantes.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1: morfología de un cabello humano ( A - cutícula; B - fractura de la corteza; mostrando los extremos de las fibras, C - superficie de la fractura donde se ven tres capas; D - superficie de la corteza lateral que muestra el alargamiento de la fibra).El cabello de un adulto de diámetro es de aproximadamente 80-100 micras. Con el cuidado normal del cabello, su apariencia es bastante holística (
1A ). El componente interno del cabello humano es la corteza fibrosa. Después de una prueba de tracción, se descubrió que la cutícula y la corteza del cabello humano se rompían de manera diferente: la cutícula generalmente se rompía abrasivamente (se desmoronaba) y las fibras de queratina en la corteza se despegaban y se extendían desde la estructura general (
1B ).
En la imagen
1C , la superficie frágil de la cutícula es claramente visible con la visualización de capas que se superponen a las placas de la cutícula y tienen un grosor de 350–400 nm. La delaminación observada en la superficie de la fractura, así como la naturaleza frágil de esta superficie, muestran una conexión interfacial débil entre la cutícula y la corteza, así como entre las fibras dentro de la corteza.
Las fibras de queratina en la corteza fueron delaminadas (
1D ). Esto sugiere que la corteza fibrosa es la principal responsable de la resistencia mecánica del cabello.
Imagen No. 2: morfología del pelo de caballo ( A - cutícula, algunas placas de las cuales están ligeramente desviadas debido a la falta de cuidado; B - apariencia de la brecha; C - detalles de la ruptura de la corteza donde es visible la cutícula desgarrada; D - detalles de la cutícula).La estructura del pelo de caballo es similar a la humana, con la excepción del diámetro, que es 50% más grande (150 micras). En la imagen
2A, puede ver el daño evidente de la cutícula, donde muchas placas no están tan conectadas al eje como lo estaba en el cabello humano. La ruptura del pelo del caballo contiene tanto una ruptura regular como una ruptura del cabello (delaminación de las placas de la cutícula). En
2B, ambas opciones de daño son visibles. En áreas donde las placas están completamente desgarradas, la interfaz entre la cutícula y la corteza (
2C ) es visible. Varias fibras fueron arrancadas y delaminadas en el área de la interfaz. Comparando los datos de observación con los anteriores (cabello humano), tal destrucción indica que el pelo del caballo no experimentó la misma tensión intensa que el cabello humano cuando las fibras en la corteza se alargaron y se separaron por completo de la cutícula. También se ve que algunas de las placas se desconectaron de la barra, lo que puede deberse a la tensión de tracción (
2D ).
Imagen 3: morfología de un pelo de oso ( A - cutícula; B - daño en dos puntos asociados con el área de ruptura; C - agrietamiento de la cutícula con delaminación de las fibras en la corteza; D - detalles de la estructura de las fibras, son visibles varias fibras alargadas de la estructura general).El grosor del pelo de oso es de 80 micras. Las placas de la cutícula están extremadamente unidas entre sí (
3A ), y en algunas áreas es incluso difícil distinguir las placas individuales. Esto puede deberse a la fricción del cabello en los vecinos. Bajo tensión de tensión, este cabello literalmente se partió con la aparición de grietas largas (inserto en
3B ), lo que indica que, con el débil efecto de unión de la cutícula dañada, las fibras de queratina en la corteza se delaminan fácilmente. La estratificación de la corteza causa un espacio en la cutícula, como lo demuestra un patrón de fractura en zigzag (
3C ). Este estrés lleva a la extracción de algunas fibras de la corteza (
3D ).
Imagen No. 4: morfología del pelo de jabalí ( A - fractura normal del pelo plano; B - la estructura de la cutícula muestra una pobre integridad (agrupación) de las placas; C - detalles del espacio en la interfaz entre la cutícula y la corteza; D - fibras extendidas y fibrillas sobresalientes de la masa total) .El pelo de jabalí es bastante grueso (230 micras), especialmente en comparación con el pelo de oso. La ruptura del pelo de un jabalí durante el daño se ve claramente (
4A ) perpendicular a la dirección de la tensión bajo tensión.
Se cortaron placas de cutícula expuestas relativamente pequeñas del cuerpo principal del cabello debido al estiramiento de sus bordes (
4B ).
La separación de las fibras es claramente visible en la superficie de la zona de fractura; también se ve que estaban muy estrechamente interconectadas dentro de la corteza (
4C ). Solo las fibras en la interfaz entre la corteza y la cutícula fueron expuestas debido a la separación (
4D ), que reveló la presencia de fibrillas de la corteza gruesa (250 nm de diámetro). Algunas de las fibrillas sobresalieron ligeramente debido a la deformación. Se cree que sirven como pelo de refuerzo para el jabalí.
Imagen No. 5: morfología del pelo de elefante ( A - C ) y jirafa ( D - F ). A - cutícula; Rotura de cabello en el paso; C : los huecos dentro del cabello indican dónde se rasgaron las fibras. D - placas cuticulares; E - incluso la rotura del cabello; F - fibras arrancadas de la superficie en el área de la rotura.El pelo de una cría de elefante puede tener un grosor de aproximadamente 330 micras, y en un adulto puede alcanzar 1,5 mm. Las placas en la superficie son difíciles de distinguir (
5A ) El pelo de elefante también es propenso a la destrucción normal, es decir. a fractura pura bajo tensión. Además, la morfología de la superficie de la fractura muestra una forma escalonada (
5B ), posiblemente debido a la presencia de defectos menores en la corteza del cabello. En la superficie de la falla, también puede ver algunos pequeños agujeros, donde antes del daño, probablemente, se ubicaron fibrillas de refuerzo (
5C ).
El pelo de la jirafa también es bastante grueso (370 micras), aunque la ubicación de las placas de la cutícula no es tan clara (
5D ). Se cree que esto se debe a su daño por diversos factores ambientales (por ejemplo, fricción contra los árboles durante la alimentación). A pesar de las diferencias, la fractura del pelo de la jirafa fue similar a la de un elefante (
5F ).
Imagen No. 6: morfología capilar capilar ( A es la estructura cuticular doble de las placas; B es la rotura de la estructura doble; C es la fibra cerca de la línea de rotura que parece frágil y rígida; D es la fibra alargada de la zona de rotura de la estructura doble).Los capibaras y los panaderos para el cabello son diferentes de todos los demás cabellos examinados. En capibaras, la principal diferencia es la presencia de una configuración de doble cutícula y una forma de cabello ovalado (
6A ). El surco entre las dos partes espejadas del cabello es necesario para una eliminación más rápida del agua del pelo del animal, así como para una mejor ventilación, lo que permite que se seque más rápido. Cuando se expone al estiramiento, el cabello se divide en dos partes a lo largo del surco, y cada una de las partes se destruye (
6B ). Muchas fibras de la corteza se delaminan y se estiran (
6C y
6D ).
Imagen No. 7: morfología del pelo de pecarí ( A - estructura de la cutícula y sitio de ruptura; B - morfología de la destrucción de la corteza y detalles de su estructura; C - células cerradas (20 μm de diámetro), cuyas paredes consisten en fibras; D - paredes celulares).En los panaderos (la familia
Tayassuidae , es decir, el pecarí), el cabello tiene una corteza porosa y la capa de la cutícula no tiene placas transparentes (
7A ). La corteza del cabello contiene células cerradas que miden 10-30 micras (
7B ), cuyas paredes están compuestas de fibras de queratina (
7C ). Estas paredes son bastante porosas, y el tamaño de un poro es de aproximadamente 0.5-3 μm (
7D ).
Como se puede ver en la imagen
7A , sin el soporte de la corteza fibrosa, la cutícula se agrieta a lo largo de la línea de ruptura y las fibras se estiran en algunos lugares. Tal estructura del cabello es necesaria para que el cabello sea más vertical, aumentando visualmente el tamaño del animal, lo que puede ser un mecanismo de protección para los panaderos. Los pelos de los panaderos resisten la compresión bastante bien, pero no pueden hacer frente al estiramiento.
Habiendo tratado las características estructurales del pelo de diferentes animales, así como sus tipos de daños debido a la tensión, los científicos comenzaron a describir las propiedades mecánicas.
Imagen No. 8: diagrama de deformación para cada tipo de cabello y configuración experimental para obtener datos (tasa de deformación 10 -2 s -1 ).Como se puede ver en el gráfico anterior, la reacción al estiramiento en el pelo de diferentes especies animales fue bastante diferente. Entonces, el cabello de una persona, caballo, jabalí y oso mostró una reacción similar a la reacción de la lana (no de otra persona, sino de material textil).
Con un módulo de elasticidad relativamente alto igual a 3.5-5 GPa, las curvas consisten en una región lineal (elástica), seguida de una meseta con una tensión que aumenta lentamente antes de la deformación de 0.20-0.25, después de lo cual la tasa de endurecimiento aumenta significativamente hasta que la tensión de fractura es 0.40. La región de meseta se refiere al desenrollado de la estructura helicoidal
α de los filamentos intermedios de queratina, que en algunos casos pueden (parcialmente) convertirse en láminas
β (estructuras planas). El desenrollado completo conduce a una deformación de 1,31, que es mucho más alta que al final de esta etapa (0,20–0,25).
La parte filiforme cristalina de la estructura está rodeada por una matriz amorfa que no se transforma. La parte amorfa es aproximadamente el 55% del volumen total, pero solo con la condición de que el diámetro de los filamentos intermedios sea de 7 nm y que estén separados por 2 nm de material amorfo. Tales indicadores precisos se derivaron en estudios previos.
En la etapa de deformación, caracterizada por el endurecimiento, el deslizamiento entre fibras corticales, así como entre elementos estructurales más pequeños, como microfibrillas, filamentos intermedios y una matriz amorfa.
El cabello de una jirafa, elefante y panaderos muestra una reacción de endurecimiento relativamente lineal sin una distinción clara entre mesetas y áreas de endurecimiento rápido (picos). El módulo de elasticidad es relativamente bajo e igual a aproximadamente 2 GPa.
A diferencia de otras especies, el pelo de capibara presenta una reacción caracterizada por un endurecimiento rápido, en el que se aplican sucesivas cepas. Esta observación está asociada con la estructura inusual del cabello capibara, y más precisamente con la presencia de dos partes simétricas y un surco longitudinal entre ellas.
Se realizaron estudios anteriores que decían que el módulo de Young (módulo de elasticidad longitudinal) disminuye con el aumento del diámetro del cabello en diferentes especies animales. En estos trabajos, se observó que el módulo de Young en panaderos es mucho más bajo que en otros animales, lo que puede deberse a la porosidad de la estructura de su cabello.
También es interesante que los panaderos tengan parches en blanco y negro en el cabello (dos colores). Las roturas de lágrimas ocurren con mayor frecuencia en el área blanca del cabello. La mayor estabilidad de la región negra se explica por la presencia de melanos, que se encuentra exclusivamente en el cabello negro.
Todas estas observaciones son realmente únicas, pero la pregunta principal sigue siendo: ¿las dimensiones del cabello juegan un papel en su fuerza?
Si describe el pelo en los mamíferos, puede resaltar los hechos principales que los investigadores conocen:
- la mayoría de los tipos de cabello son más gruesos en la parte central y se estrechan hacia el final; el pelaje de los animales salvajes es más grueso debido a su hábitat;
- Los cambios en el diámetro de los pelos de una especie muestran que el grosor de la mayoría de los pelos varía dentro del rango de grosor general para una especie animal determinada. El grosor de los pelos para diferentes representantes de la misma especie puede variar, sin embargo, aún se desconoce qué afecta esta diferencia;
- diferentes tipos de mamíferos tienen diferentes grosores de cabello (no importa cuán trivial pueda sonar).
Resumiendo estos hechos generalmente disponibles y los datos obtenidos durante los experimentos, los científicos pudieron comparar todos los resultados para la formación de dependencias del grosor del cabello y su resistencia.
Imagen No. 9: la relación entre el grosor y la fuerza del cabello en diferentes especies animales.Debido a las diferencias en el diámetro y el alargamiento del cabello, los científicos decidieron averiguar si su resistencia a la tracción se puede predecir en función de las estadísticas de Weibull, que pueden tener en cuenta específicamente las diferencias en el tamaño de la muestra y el tamaño del defecto resultante.Se supone que un segmento de cabello con volumen V consta de n elementos de volumen, con cada unidad de volumen V 0tiene una distribución similar de defectos. Utilizando el supuesto del enlace más débil, a un nivel de voltaje dado σ, la probabilidad P de mantener la integridad de un segmento de cabello dado con el volumen V puede expresarse como el producto de probabilidades adicionales de mantener la integridad de cada uno de los elementos del volumen, a saber:P ( V ) = P ( V 0 ) P ( V 0 ) ... · P ( V 0 ) = · P ( V 0 ) ndonde el volumen Vcontiene n elementos del volumen V 0 . Al aumentar el voltaje, P ( V ) disminuye naturalmente.Usando la distribución Weibull de dos parámetros, la probabilidad de destrucción de todo el volumen se puede expresar como:1 - P = 1 - exp [- V / V 0 · ( σ / σ 0 ) m ]donde σ es la tensión aplicada, σ 0 es la resistencia característica (referencia) y m — , . , V σ .
9 . №2 m, ( m = 0.11).
: — 235 , — 200 , — 300 , — 70 , — 345 — 370 .
, P ( V ) = 0.5, , .
9 50% ( P ( V ) = 0.5) .
, 100 350 200–250 125–150 . . , . , .
.
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