Les cheveux pour une personne moderne ne sont rien d'autre qu'un élément d'auto-identification visuelle, une partie de l'image et de l'image. Malgré cela, ces formations de peau cornée ont plusieurs fonctions biologiques importantes: protection, thermorégulation, toucher, etc. Quelle est la force de nos cheveux? En fait, ils sont beaucoup plus forts que les cheveux d'un éléphant ou d'une girafe.
Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université de Californie (États-Unis) ont décidé de vérifier la corrélation entre l'épaisseur des cheveux et leur force chez différentes espèces d'animaux, y compris les humains. Dont les cheveux se sont avérés être les plus durables, quelles sont les propriétés mécaniques des cheveux de différents types et comment cette étude peut-elle aider au développement de nouveaux types de matériaux? Nous en apprenons sur le rapport des scientifiques. Allons-y.
Base d'étude
Les cheveux, qui se composent principalement de protéines de kératine, sont la formation de peau cornée des mammifères. En fait, cheveux, laine et fourrure sont synonymes. Dans sa structure, les cheveux sont constitués de plaques de kératine, qui se superposent les unes aux autres, comme des articulations de dominos tombant les unes sur les autres. Chaque cheveu a trois couches: cuticule - la couche extérieure et protectrice; cortex - une substance corticale composée de cellules mortes allongées (importantes pour la force et l'élasticité des cheveux, détermine leur couleur en raison de la mélanine) et la médullaire - la couche centrale des cheveux, composée de cellules kératiniques molles et de cavités d'air, qui est impliquée dans le transfert de nutriments à d'autres couches.
Si les cheveux sont divisés verticalement, nous obtenons alors la zone cutanée (tige) et sous-cutanée (bulbe ou racine). Le bulbe est entouré d'un follicule, dont la forme des cheveux eux-mêmes dépend: un follicule rond - une ligne droite, un follicule ovale - légèrement bouclé, un follicule en forme de rein - bouclé.
De nombreux scientifiques suggèrent qu'en raison des progrès technologiques, l'évolution humaine est en train de changer. Autrement dit, certains organes et structures de notre corps deviennent progressivement rudimentaires - ceux qui ont perdu leur destination. Ces parties du corps comprennent les dents de sagesse, l'appendice et la racine des cheveux sur le corps. En d'autres termes, les scientifiques pensent qu'avec le temps, ces structures disparaîtront simplement de notre anatomie. Que ce soit vrai ou non, c'est difficile à dire, mais pour de nombreuses personnes ordinaires, les dents de sagesse, par exemple, sont associées à la visite d'un dentiste pour leur extraction inévitable.
Quoi qu'il en soit, une personne a besoin de cheveux, peut-être qu'ils ne jouent plus un rôle crucial dans la thermorégulation, mais en esthétique, ils font toujours partie intégrante. On peut en dire autant de la culture mondiale. Dans de nombreux pays, depuis des temps immémoriaux, les cheveux étaient considérés comme la source de toute force, et leur circoncision était associée à d'éventuels problèmes de santé et même à des décès. La signification sacrée des cheveux a migré des rituels chamaniques des anciennes tribus vers les religions plus modernes, les œuvres d'écrivains, d'artistes et de sculpteurs. En particulier, la beauté féminine était souvent étroitement liée à l'apparence ou à la représentation des cheveux de belles femmes (par exemple, dans les peintures).
Remarquez à quel point les cheveux de Vénus sont détaillés (Sandro Botticelli, La naissance de Vénus, 1485).Laissons de côté l'aspect culturel et esthétique des cheveux et considérons l'étude des scientifiques.
Les cheveux, sous une forme ou une autre, sont présents dans de nombreuses espèces de mammifères. Si pour les humains elles ne sont plus aussi importantes d'un point de vue biologique, alors pour d'autres représentants du monde animal, la laine et la fourrure sont des attributs vitaux. De plus, dans leur structure de base, les cheveux humains et, par exemple, les cheveux d'éléphant sont très similaires, bien qu'il existe des différences. Le plus évident d'entre eux est les dimensions, car les cheveux d'un éléphant sont beaucoup plus épais que les nôtres, mais, il s'est avéré, pas plus forts.
Les scientifiques étudient les cheveux et la laine depuis un certain temps. Les résultats de ces travaux ont été mis en œuvre à la fois en cosmétologie et en médecine, et dans l'industrie légère (ou, pour ainsi dire, la célèbre Kalugina L.P .: «industrie légère»), ou plutôt, dans l'industrie textile. De plus, l'étude des poils a grandement aidé au développement de biomatériaux à base de kératine, qui au début du siècle dernier a appris à isoler des cornes d'animaux à la chaux.
La kératine ainsi obtenue a été utilisée pour créer des gels qui pourraient être renforcés par l'ajout de formaldéhyde. Plus tard, ils ont appris à isoler la kératine non seulement des cornes des animaux, mais aussi de leurs cheveux, ainsi que des cheveux humains. Les substances créées à base de kératine ont trouvé leur application dans les cosmétiques, les composites et même dans le revêtement des comprimés.
Aujourd'hui, l'industrie de l'étude et de la production de matériaux solides et légers se développe rapidement. Les cheveux, étant par nature, sont l'un des matériaux naturels qui inspirent de telles études. Quelle est la résistance à la traction de la laine et des cheveux humains, qui varie de 200 à 260 MPa, ce qui équivaut à une résistance spécifique de 150-200 MPa / mg m
-3 . Et cela est presque comparable à l'acier (250 MPa / mg m
-3 ).
Le rôle principal dans la formation des propriétés mécaniques des cheveux est joué par sa structure hiérarchique ressemblant à une poupée gigogne. L'élément le plus important de cette structure est le cortex interne des cellules corticales (diamètre d'environ 5 μm et longueur 100 μm), composé de macro-fibrilles groupées (diamètre d'environ 0,2-0,4 μm), qui, à leur tour, sont constituées de filaments intermédiaires (7,5 nm de diamètre ) intégré dans la matrice amorphe.
Les propriétés mécaniques des cheveux, leur sensibilité à la température, à l'humidité et à la déformation sont le résultat direct de l'interaction des composants amorphes et cristallins du cortex. Les fibres kératiniques du cortex des cheveux humains ont généralement de plus grandes propriétés de traction avec une tension de traction supérieure à 40%.
Une telle valeur élevée est due au déroulement de la structure de l'
α- kératine et, dans certains cas, à sa conversion en
β- kératine, ce qui entraîne une augmentation de la longueur (une révolution complète de l'hélice de 0,52 nm s'étend jusqu'à 1,2 nm dans la configuration
b ). C'est l'une des principales raisons pour lesquelles de nombreuses études se sont concentrées sur la kératine afin de la recréer sous une forme synthétique. Mais la couche externe de cheveux (cuticule), comme nous le savons déjà, est constituée de plaques (0,3–0,5 μm d'épaisseur et 40–60 μm de long).
Auparavant, les scientifiques ont déjà mené une étude des propriétés mécaniques des cheveux de personnes de différents âges et groupes ethniques. Dans ce travail, l'accent a été mis sur l'étude de la différence des propriétés mécaniques des poils de différentes espèces animales, à savoir: l'homme, le cheval, l'ours, le sanglier, le capybara, les boulangers, la girafe et l'éléphant.
Résultats de recherche
Image n ° 1: morphologie d'un cheveu humain ( A - cuticule; B - fracture du cortex; montrant les extrémités des fibres, C - surface de fracture où trois couches sont visibles; D - surface du cortex latéral, montrant l'allongement des fibres).Les cheveux d'un adulte de diamètre sont d'environ 80 à 100 microns. Avec des soins capillaires normaux, leur apparence est assez holistique (
1A ). La composante interne des cheveux humains est le cortex fibreux. Après un essai de traction, il a été constaté que la cuticule et le cortex des cheveux humains se cassaient différemment: la cuticule se cassait généralement de manière abrasive (émiettée) et les fibres kératiniques du cortex étaient pelées et étendues de la structure générale (
1B ).
Dans l'image
1C , la surface fragile de la cuticule est clairement visible avec la visualisation des couches qui se chevauchent les plaques de cuticule et ont une épaisseur de 350–400 nm. La délamination observée sur la surface de fracture, ainsi que la nature cassante de cette surface, montrent une faible connexion interfaciale entre la cuticule et le cortex, ainsi qu'entre les fibres à l'intérieur du cortex.
Les fibres kératiniques du cortex ont été délaminées (
1D ). Cela suggère que le cortex fibreux est principalement responsable de la résistance mécanique des cheveux.
Image n ° 2: morphologie du crin ( A - cuticule, dont certaines plaques sont légèrement déviées par manque de soin; B - apparence de l'écart; C - détails de la rupture du cortex où la cuticule déchirée est visible; D - détails de la cuticule).La structure du crin de cheval est similaire à celle de l'homme, à l'exception du diamètre, qui est 50% plus grand (150 microns). Dans l'image
2A, vous pouvez voir des dommages évidents à la cuticule, où de nombreuses plaques ne sont pas aussi étroitement connectées à la tige que sur les cheveux humains. La rupture du crin contient à la fois une rupture régulière et une rupture du poil (délaminage des plaques cuticulaires). Sur
2B, les deux options de dégâts sont visibles. Dans les zones où les plaques sont complètement arrachées, l'interface entre la cuticule et le cortex (
2C ) est visible. Plusieurs fibres ont été arrachées et délaminées dans la zone d'interface. En comparant les données d'observation avec les précédentes (cheveux humains), une telle destruction indique que les cheveux du cheval n'ont pas connu la même tension intense que les cheveux humains lorsque les fibres du cortex étaient allongées et complètement détachées de la cuticule. On voit également que certaines des plaques se sont déconnectées de la tige, ce qui peut être dû à une contrainte de traction (
2D ).
Image 3: morphologie d'un poil d'ours ( A - cuticule; B - endommagement en deux points associés à la zone de rupture; C - fissuration de la cuticule avec délaminage des fibres dans le cortex; D - détails de la structure des fibres, plusieurs fibres allongées de la structure générale sont visibles).L'épaisseur des poils d'ours est de 80 microns. Les plaques de cuticule sont extrêmement étroitement liées les unes aux autres (
3A ), et dans certaines régions, il est même difficile de distinguer les plaques individuelles. Cela peut être dû à la friction des cheveux sur les cheveux voisins. Sous tension, ces poils se fendent littéralement avec l'apparition de longues fissures (insert sur
3B ), ce qui indique qu'avec le faible effet de liaison de la cuticule endommagée, les fibres kératiniques du cortex se délaminent facilement. La stratification du cortex provoque un espace sur la cuticule, comme en témoigne un motif de fracture en zigzag (
3C ). Cette contrainte conduit à l'arrachage de certaines fibres du cortex (
3D ).
Image n ° 4: morphologie des poils de sanglier ( A - fracture normale des poils plats; B - la structure des cuticules montre une mauvaise intégrité (groupement) des plaques; C - détails de l'écart à l'interface entre la cuticule et le cortex; D - fibres étendues et fibrilles saillantes de la masse totale) .Les poils de sanglier sont assez épais (230 microns), surtout par rapport aux poils d'ours. La rupture des poils d'un verrat lors d'une lésion semble assez distinctement (
4A ) perpendiculaire à la direction de tension sous tension.
Des plaques de cuticules exposées relativement petites ont été arrachées du corps principal des cheveux en raison de l'étirement de leurs bords (
4B ).
La séparation des fibres est clairement visible à la surface de la zone de fracture; on voit également qu'elles étaient très étroitement interconnectées à l'intérieur du cortex (
4C ). Seules les fibres à l'interface entre le cortex et la cuticule ont été exposées en raison de la séparation (
4D ), qui a révélé la présence de fibrilles corticales épaisses (250 nm de diamètre). Certaines des fibrilles dépassaient légèrement en raison de la déformation. On pense qu'ils servent de cheveux de renfort au sanglier.
Image n ° 5: morphologie des poils d'éléphants ( A - C ) et des girafes ( D - F ). A - cuticule; Rupture de cheveux en phase; C - les vides à l'intérieur des cheveux indiquent où les fibres ont été déchirées. D - plaques cuticulaires; E - même rupture des cheveux; F - fibres arrachées de la surface dans la zone de la rupture.Les poils d'un veau d'éléphant peuvent avoir une épaisseur d'environ 330 microns et, chez un adulte, ils peuvent atteindre 1,5 mm. Les plaques en surface sont difficiles à distinguer (
5A ). Les poils d'éléphant sont également sujets à une destruction normale, c'est-à-dire à la rupture pure sous tension. De plus, la morphologie de la surface de fracture présente une forme pas à pas (
5B ), probablement due à la présence de défauts mineurs dans le cortex pileux. À la surface de la faille, vous pouvez également voir quelques petits trous, où avant les dommages, probablement, des fibrilles de renforcement (
5C ) étaient localisées.
Les cheveux de la girafe sont également assez épais (370 microns), bien que l'emplacement des plaques de cuticule ne soit pas aussi clair (
5D ). On pense que cela est dû à leurs dommages causés par divers facteurs environnementaux (par exemple, la friction contre les arbres pendant l'alimentation). Malgré les différences, la fracture des cheveux de la girafe était similaire à celle d'un éléphant (
5F ).
Image n ° 6: morphologie des cheveux capybara ( A est la double structure cuticulaire des plaques; B est la déchirure de la double structure; C est la fibre près de la ligne de déchirure qui semble fragile et rigide; D est la fibre allongée de la zone de déchirure de la double structure).Les capybaras et les boulangers sont différents de tous les autres cheveux examinés. Chez les capybaras, la principale différence est la présence d'une configuration à double cuticule et d'une forme de cheveux ovale (
6A ). La rainure entre les deux parties en miroir des cheveux est nécessaire pour éliminer plus rapidement l'eau des poils de l'animal, ainsi que pour une meilleure ventilation, ce qui lui permet de sécher plus rapidement. Lorsqu'ils sont exposés à des étirements, les cheveux sont divisés en deux parties le long de la rainure et chacune des parties est détruite (
6B ). De nombreuses fibres corticales sont délaminées et étirées (
6C et
6D ).
Image n ° 7: morphologie du pécari ( A - structure de la cuticule et site de rupture; B - morphologie de destruction du cortex et détails de sa structure; C - cellules fermées (20 μm de diamètre), dont les parois sont constituées de fibres; D - parois des cellules).Chez les boulangers (la famille des
Tayassuidae , c'est-à-dire le pécari), les cheveux ont un cortex poreux et la couche de cuticule n'a pas de plaques claires (
7A ). Le cortex capillaire contient des cellules fermées de 10 à 30 microns (
7B ), dont les parois sont composées de fibres kératiniques (
7C ). Ces parois sont assez poreuses et la taille d'un pore est d'environ 0,5 à 3 μm (
7D ).
Comme on peut le voir sur l'image
7A , sans le soutien du cortex fibreux, la cuticule se fissure le long de la ligne de rupture et les fibres sont étirées à certains endroits. Une telle structure capillaire est nécessaire pour que les cheveux soient plus verticaux, augmentant visuellement la taille de l'animal, ce qui peut être un mécanisme de protection pour les boulangers. Les poils de boulanger résistent assez bien à la compression, mais ne supportent pas les étirements.
Après avoir traité des caractéristiques structurelles des poils de différents animaux, ainsi que de leurs types de dommages dus à la tension, les scientifiques ont commencé à décrire les propriétés mécaniques.
Image n ° 8: diagramme de déformation pour chaque type de cheveux et configuration expérimentale pour obtenir des données (taux de déformation 10 -2 s -1 ).Comme le montre le graphique ci-dessus, la réaction à l'étirement des poils de différentes espèces animales était très différente. Ainsi, les cheveux d'une personne, d'un cheval, d'un sanglier et d'un ours ont montré une réaction similaire à la réaction de la laine (pas celle de quelqu'un d'autre, mais du textile).
Avec un module d'élasticité relativement élevé égal à 3,5–5 GPa, les courbes se composent d'une région linéaire (élastique), suivie d'un plateau avec une contrainte qui augmente lentement avant la déformation de 0,20–0,25, après quoi le taux de durcissement augmente considérablement jusqu'à ce que la déformation à la rupture soit de 0,40. La région du plateau se réfère au déroulement de la structure hélicoïdale
α des filaments intermédiaires de kératine, qui dans certains cas peuvent (partiellement) se transformer en feuilles
b (structures plates). Le déroulement complet conduit à une déformation de 1,31, ce qui est beaucoup plus élevé qu'à la fin de cette étape (0,20–0,25).
La partie filiforme cristalline de la structure est entourée d'une matrice amorphe qui ne se transforme pas. La partie amorphe représente environ 55% du volume total, mais uniquement à condition que le diamètre des filaments intermédiaires soit de 7 nm et qu'ils soient séparés par 2 nm de matériau amorphe. Ces indicateurs précis ont été dérivés dans des études précédentes.
Au stade de la déformation, caractérisée par le durcissement, glisse entre les fibres corticales, ainsi qu'entre les éléments structuraux plus petits, tels que les microfibrilles, les filaments intermédiaires et une matrice amorphe.
Les cheveux d'une girafe, d'un éléphant et d'un boulanger présentent une réaction de durcissement relativement linéaire sans distinction claire entre les plateaux et les zones de durcissement rapide (pics). Le module d'élasticité est relativement faible et égal à environ 2 GPa.
Contrairement aux autres espèces, les cheveux capybara présentent une réaction caractérisée par un durcissement rapide, sur lequel des souches successives sont appliquées. Cette observation est associée à la structure inhabituelle des cheveux capybara, et plus précisément à la présence de deux parties symétriques et d'une rainure longitudinale entre elles.
Des études antérieures ont été menées qui indiquaient que le module de Young (module d'élasticité longitudinale) diminue avec l'augmentation du diamètre des poils chez différentes espèces animales. Dans ces travaux, il a été noté que le module de Young chez les boulangers est beaucoup plus faible que chez les autres animaux, ce qui peut être dû à la porosité de la structure de ses cheveux.
Il est également intéressant de noter que les boulangers ont des taches noires et blanches sur leurs cheveux (bicolores). Les déchirures se produisent le plus souvent dans la zone blanche des cheveux. L'augmentation de la stabilité de la région noire s'explique par la présence de mélanos, que l'on retrouve exclusivement dans les cheveux noirs.
Toutes ces observations sont vraiment uniques, mais la principale question demeure - les dimensions des cheveux jouent-elles un rôle dans leur force?
Si vous décrivez les poils des mammifères, vous pouvez mettre en évidence les principaux faits connus des chercheurs:
- la plupart des types de cheveux sont plus épais dans la partie centrale et s'effilent vers la fin; le pelage des animaux sauvages est plus épais en raison de leur habitat;
- les changements dans le diamètre des poils d'une espèce montrent que l'épaisseur de la plupart des poils varie dans la plage d'épaisseur générale pour une espèce animale donnée. L'épaisseur des poils chez différents représentants de la même espèce peut varier, cependant, on ne sait pas encore ce que cette différence affecte;
- différents types de mammifères ont des épaisseurs de poils différentes (peu importe à quel point cela peut sembler banal).
En résumant ces faits généralement disponibles et les données obtenues au cours des expériences, les scientifiques ont pu comparer tous les résultats pour la formation de dépendances de l'épaisseur du cheveu et de sa résistance.
Image n ° 9: le rapport entre l'épaisseur et la force des poils dans différentes espèces animales.En raison des différences de diamètre et d'allongement des cheveux, les scientifiques ont décidé de déterminer si leur résistance à la traction peut être prédite sur la base des statistiques de Weibull, qui peuvent spécifiquement prendre en compte les différences de taille d'échantillon et la taille de défaut résultante.On suppose qu'un segment de cheveux de volume V est composé de n éléments de volume, chaque unité de volume V 0a une répartition similaire des défauts. En utilisant l'hypothèse du maillon le plus faible, à un niveau de tension donné σ, la probabilité P de maintenir l'intégrité d'un segment de cheveux donné avec le volume V peut être exprimée comme le produit de probabilités supplémentaires de maintenir l'intégrité de chacun des éléments de volume, à savoir:P ( V ) = P ( V 0 ) P ( V 0 ) ... · P ( V 0 ) = · P ( V 0 ) noù le volume Vcontient n éléments de volume V 0 . Lorsque la tension augmente, P ( V ) diminue naturellement.En utilisant la distribution de Weibull à deux paramètres, la probabilité de destruction de tout le volume peut être exprimée comme suit:1 - P = 1 - exp [- V / V 0 · ( σ / σ 0 ) m ]où σ est la contrainte appliquée, σ 0 est la force caractéristique (de référence) et 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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