Rambut untuk orang modern tidak lebih dari elemen identifikasi diri visual, bagian dari gambar dan gambar. Meskipun demikian, formasi kulit terangsang ini memiliki beberapa fungsi biologis penting: perlindungan, termoregulasi, sentuhan, dll. Seberapa kuat rambut kita? Ternyata, mereka berkali-kali lebih kuat dari rambut gajah atau jerapah.
Hari ini kami akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari University of California (AS) memutuskan untuk memeriksa bagaimana ketebalan rambut dan kekuatannya berkorelasi dalam berbagai spesies hewan, termasuk manusia. Rambut siapa yang paling tahan lama, sifat mekanik apa yang dimiliki rambut dari berbagai jenis, dan bagaimana penelitian ini dapat membantu dalam pengembangan jenis bahan baru? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Ayo pergi.
Dasar studi
Rambut, yang terutama terdiri dari protein keratin, adalah pembentukan kulit mamalia yang terangsang. Sebenarnya, rambut, wol, dan bulu sama artinya. Dalam strukturnya, rambut terdiri dari lempeng keratin, yang saling bertumpukan, seperti buku-buku jari domino yang saling berjatuhan. Setiap rambut memiliki tiga lapisan: kutikula - lapisan luar dan pelindung; korteks - zat kortikal yang terdiri dari sel-sel mati yang memanjang (penting untuk kekuatan dan elastisitas rambut, menentukan warnanya karena melanin) dan medula - lapisan tengah rambut, terdiri dari sel keratin lunak dan rongga udara, yang terlibat dalam transfer nutrisi ke orang lain lapisan.
Jika rambut dibagi secara vertikal, maka kita mendapatkan area kulit (batang) dan subkutan (bulb atau akar). Bohlam dikelilingi oleh folikel, pada bentuk yang tergantung pada bentuk rambut itu sendiri: folikel bundar - garis lurus, folikel oval - sedikit keriting, folikel berbentuk ginjal - keriting.
Banyak ilmuwan berpendapat bahwa karena kemajuan teknologi, evolusi manusia berubah. Artinya, beberapa organ dan struktur dalam tubuh kita secara bertahap menjadi rudimenter - yang telah kehilangan tujuan yang diinginkan. Bagian-bagian tubuh seperti itu termasuk gigi bungsu, apendiks dan garis rambut pada tubuh. Dengan kata lain, para ilmuwan percaya bahwa seiring waktu, struktur ini akan hilang begitu saja dari anatomi kita. Benar atau tidak, sulit dikatakan, tetapi bagi banyak orang awam, gigi bungsu, misalnya, dikaitkan dengan kunjungan ke dokter gigi untuk pencabutan gigi yang tak terelakkan.
Bagaimanapun, seseorang membutuhkan rambut, mungkin mereka tidak lagi memainkan peran penting dalam termoregulasi, tetapi dalam estetika mereka masih merupakan bagian yang tidak terpisahkan. Hal yang sama dapat dikatakan tentang budaya dunia. Di banyak negara, sejak jaman dahulu, rambut dianggap sebagai sumber dari semua kekuatan, dan sunat mereka dikaitkan dengan kemungkinan masalah kesehatan dan bahkan kegagalan hidup. Makna suci rambut bermigrasi dari ritual perdukunan suku kuno ke agama yang lebih modern, karya penulis, seniman, dan pematung. Secara khusus, kecantikan wanita seringkali berkaitan erat dengan bagaimana rambut wanita cantik terlihat atau digambarkan (misalnya, dalam lukisan).
Perhatikan betapa detailnya rambut Venus (Sandro Botticelli, The Birth of Venus, 1485).Mari kita mengesampingkan aspek budaya dan estetika rambut dan melanjutkan untuk mempertimbangkan studi para ilmuwan.
Rambut, dalam satu bentuk atau lainnya, ada di banyak spesies mamalia. Jika bagi manusia mereka tidak lagi begitu penting dari sudut pandang biologis, maka bagi perwakilan dunia hewan lainnya, wol dan bulu adalah atribut vital. Terlebih lagi, dalam struktur dasarnya, rambut manusia dan, misalnya, rambut gajah sangat mirip, walaupun ada perbedaan. Yang paling jelas dari mereka adalah dimensi, karena rambut seekor gajah jauh lebih tebal daripada kita, tetapi, ternyata, tidak lebih kuat.
Para ilmuwan telah mempelajari rambut dan wol selama beberapa waktu. Hasil karya-karya ini diimplementasikan baik dalam tata rias dan kedokteran, dan dalam industri ringan (atau, seolah-olah, Kalugina L.P yang terkenal: "industri ringan"), atau lebih tepatnya, di industri tekstil. Selain itu, studi tentang rambut sangat membantu dalam pengembangan biomaterial berdasarkan keratin, yang pada awal abad terakhir belajar untuk mengisolasi dari tanduk hewan dengan kapur.
Jadi keratin yang diperoleh digunakan untuk membuat gel yang bisa diperkuat dengan menambahkan formaldehida. Kemudian mereka belajar mengisolasi keratin tidak hanya dari tanduk binatang, tetapi juga dari rambut mereka, dan juga dari rambut manusia. Zat yang dibuat atas dasar keratin telah menemukan aplikasinya dalam kosmetik, komposit, dan bahkan dalam pelapis untuk tablet.
Saat ini, industri studi dan produksi bahan yang kuat dan ringan berkembang pesat. Rambut, yang sifatnya seperti itu, adalah salah satu bahan alami yang menginspirasi penelitian tersebut. Berapakah kekuatan tarik wol dan rambut manusia, yang berkisar 200 hingga 260 MPa, yang setara dengan kekuatan spesifik 150-200 MPa / mg m
-3 . Dan ini hampir sebanding dengan baja (250 MPa / mg m
-3 ).
Peran utama dalam pembentukan sifat mekanik rambut dimainkan oleh struktur hierarkisnya yang menyerupai boneka bersarang. Elemen yang paling penting dari struktur ini adalah korteks bagian dalam sel kortikal (diameter sekitar 5 μm dan panjang 100 μm), yang terdiri dari fibril makro yang dikelompokkan (diameter sekitar 0,2-0,4 μm), yang, pada gilirannya, terdiri dari filamen menengah (diameter 7,5 nm) ) tertanam dalam matriks amorf.
Sifat mekanik rambut, kepekaannya terhadap suhu, kelembaban dan deformasi adalah akibat langsung dari interaksi komponen amorf dan kristal korteks. Serat keratin korteks rambut manusia biasanya memiliki sifat tarik yang lebih besar dengan regangan tarik lebih dari 40%.
Nilai setinggi itu disebabkan oleh tidak mengikatnya struktur
α- keratin dan, dalam beberapa kasus, konversinya menjadi
β- keratin, yang mengarah pada peningkatan panjang (revolusi helix penuh 0,52 nm meluas hingga 1,2 nm pada konfigurasi
b ). Ini adalah salah satu alasan utama mengapa banyak penelitian berfokus pada keratin untuk membuatnya kembali dalam bentuk sintetis. Tetapi lapisan luar rambut (kutikula), seperti yang telah kita ketahui, terdiri dari lempengan (tebal 0,3-0,5 μm dan panjang 40-60 μm).
Sebelumnya, para ilmuwan telah melakukan studi tentang sifat mekanik rambut orang-orang dari berbagai usia dan kelompok etnis. Dalam karya ini, penekanan ditempatkan pada studi tentang perbedaan dalam sifat mekanik rambut berbagai spesies hewan, yaitu: manusia, kuda, beruang, babi hutan, capybara, pembuat roti, jerapah dan gajah.
Hasil penelitian
Gambar No. 1: morfologi rambut manusia (kutikula A ; fraktur korteks B ; menunjukkan ujung serat, permukaan fraktur C di mana tiga lapisan terlihat; permukaan korteks D -lateral, menunjukkan perpanjangan serat).Rambut orang dewasa dengan diameter sekitar 80-100 mikron. Dengan perawatan rambut normal, penampilan mereka cukup holistik (
1A ). Komponen internal rambut manusia adalah fibre cortex. Setelah uji tarik, ditemukan bahwa kutikula dan korteks rambut manusia rusak secara berbeda: kutikula biasanya patah secara kasar (hancur), dan serat keratin di korteks dikupas dan diperpanjang dari struktur umum (
1B ).
Pada gambar
1C , permukaan rapuh yang rapuh terlihat jelas dengan visualisasi lapisan yang tumpang tindih dengan pelat kutikula dan memiliki ketebalan 350-400 nm. Delaminasi yang diamati pada permukaan fraktur, serta sifat rapuh permukaan ini, menunjukkan hubungan antarmuka yang lemah antara kutikula dan korteks, serta antara serat di dalam korteks.
Serat keratin di korteks mengalami delaminasi (
1D ). Ini menunjukkan bahwa korteks fibrosa terutama bertanggung jawab atas kekuatan mekanik rambut.
Gambar No. 2: morfologi rambut kuda ( A - kutikula, beberapa piring yang sedikit menyimpang karena kurangnya perawatan; B - penampilan celah; C - detail pecahnya korteks di mana kutikula yang sobek terlihat; D - rincian kutikula).Struktur rambut kuda mirip dengan manusia, dengan pengecualian diameter, yang 50% lebih besar (150 mikron). Pada gambar
2A, Anda dapat melihat kerusakan kutikula yang jelas, di mana banyak lempeng tidak terhubung erat dengan poros seperti pada rambut manusia. Pecahnya rambut kuda mengandung keretakan yang teratur dan pecahnya rambut (delaminasi lempeng kutikula). Pada
2B kedua opsi kerusakan terlihat. Di daerah di mana pelat benar-benar robek, antarmuka antara kutikula dan korteks (
2C ) terlihat. Beberapa serat robek dan delaminasi pada area antarmuka. Membandingkan data pengamatan dengan yang sebelumnya (rambut manusia), kerusakan seperti itu menunjukkan bahwa rambut kuda tidak mengalami ketegangan intens yang sama dengan rambut manusia ketika serat-serat di korteks memanjang dan sepenuhnya terlepas dari kutikula. Terlihat juga bahwa beberapa pelat terputus dari batang, yang mungkin disebabkan oleh tegangan tarik (
2D ).
Gambar 3: morfologi rambut beruang (kutikula A ; kerusakan B pada dua titik yang terkait dengan area pecah; C - retak kutikula dengan delaminasi serat di korteks; D - detail struktur serat, beberapa serat memanjang dari struktur umum terlihat).Ketebalan rambut beruang adalah 80 mikron. Pelat kutikula sangat erat menempel satu sama lain (
3A ), dan di beberapa daerah bahkan sulit untuk membedakan piring individu. Ini mungkin karena gesekan rambut pada yang tetangga. Di bawah tekanan tarik, rambut ini benar-benar terpecah dengan munculnya retakan yang panjang (sisipkan pada
3B ), yang menunjukkan bahwa, dengan efek pengikatan yang lemah dari kutikula yang rusak, serat keratin di korteks mudah delaminasi. Stratifikasi korteks menyebabkan celah pada kutikula, sebagaimana dibuktikan oleh pola fraktur zigzag (
3C ). Stres ini menyebabkan penarikan beberapa serat dari korteks (
3D ).
Gambar No. 4: morfologi rambut babi hutan ( A - fraktur rambut datar normal; struktur B - kutikula menunjukkan integritas yang buruk (pengelompokan) lempeng; C - detail celah pada antarmuka antara kutikula dan korteks; serat D - serat memanjang dan menonjol dari total massa) .Rambut babi hutan cukup tebal (230 mikron), terutama jika dibandingkan dengan rambut beruang. Pecahnya rambut babi hutan selama kerusakan terlihat sangat jelas (
4A ) tegak lurus dengan arah ketegangan di bawah tekanan.
Pelat kutikula yang relatif kecil terpotong dari bagian utama rambut karena perpanjangan tepi mereka (
4B ).
Pemisahan serat jelas terlihat pada permukaan zona fraktur, juga terlihat bahwa mereka saling berhubungan sangat erat di dalam korteks (
4C ). Hanya serat di antarmuka antara korteks dan kutikula yang terpapar karena pemisahan (
4D ), yang mengungkapkan adanya fibril korteks tebal (berdiameter 250 nm). Beberapa fibril sedikit menonjol karena deformasi. Dipercayai bahwa mereka berfungsi sebagai penguat rambut untuk babi hutan.
Gambar No. 5: morfologi rambut gajah ( A - C ) dan jerapah ( D - F ). A - kutikula; In -step break of hair; C - rongga di dalam rambut menunjukkan di mana serat robek. D - pelat kutikula; E - kerusakan rambut; Serat - F sobek dari permukaan di daerah istirahat.Rambut anak gajah bisa mencapai 330 mikron, dan pada orang dewasa bisa mencapai 1,5 mm. Pelat di permukaan sulit untuk dibedakan (
5A ). Rambut gajah juga rentan terhadap kerusakan normal, yaitu untuk fraktur murni di bawah tekanan. Selain itu, morfologi permukaan fraktur menunjukkan bentuk stepwise (
5B ), mungkin karena adanya cacat kecil di korteks rambut. Pada permukaan patahan, Anda juga dapat melihat beberapa lubang kecil, di mana sebelum kerusakan, mungkin, penguat serat (
5C ) berada.
Rambut jerapah juga cukup tebal (370 mikron), meskipun lokasi pelat kutikula tidak begitu jernih (
5D ). Diyakini bahwa ini disebabkan oleh kerusakan mereka oleh berbagai faktor lingkungan (misalnya, gesekan terhadap pohon selama makan). Meskipun ada perbedaan, fraktur rambut jerapah mirip dengan yang terjadi pada gajah (
5F ).
Gambar 6: morfologi rambut capybara ( A adalah struktur kutikula ganda lempeng; B adalah sobekan dari struktur ganda; C adalah serat di dekat garis sobekan yang tampak rapuh dan kaku; D adalah serat memanjang dari zona sobek pada struktur ganda dari struktur ganda).Rambut capybaras dan tukang roti berbeda dari semua rambut lain yang diperiksa. Pada capybaras, perbedaan utama adalah adanya konfigurasi kutikula ganda dan bentuk rambut oval (
6A ). Alur antara dua bagian cermin dari rambut diperlukan untuk menghilangkan lebih cepat air dari rambut hewan, serta untuk ventilasi yang lebih baik, yang memungkinkannya mengering lebih cepat. Ketika terkena peregangan, rambut dibagi menjadi dua bagian di sepanjang alur, dan masing-masing bagian dihancurkan (
6B ). Banyak serat korteks mengalami delaminasi dan peregangan (
6C dan
6D ).
Gambar No. 7: morfologi rambut peccary (struktur - kutikula A dan tempat pecah; B - morfologi perusakan korteks dan detail strukturnya; sel tertutup C (berdiameter 20 μm), yang dindingnya terdiri dari serat; dinding sel D ).Pada pembuat roti (keluarga
Tayassuidae , mis., Peccary), rambut memiliki korteks berpori, dan lapisan kutikula tidak memiliki pelat yang jelas (
7A ). Korteks rambut mengandung sel tertutup berukuran 10-30 mikron (
7B ), dinding yang terdiri dari serat keratin (
7C ). Dinding ini cukup keropos, dan ukuran satu pori sekitar 0,5-3 μm (
7D ).
Seperti dapat dilihat pada gambar
7A , tanpa dukungan dari fibre cortex, kutikula retak di sepanjang garis pecah, dan serat-serat direntangkan di beberapa tempat. Struktur rambut seperti itu diperlukan agar rambut lebih tegak, secara visual meningkatkan ukuran hewan, yang dapat menjadi mekanisme perlindungan bagi pembuat roti. Rambut tukang roti menahan kompresi dengan cukup baik, tetapi tidak bisa mengatasi peregangan.
Setelah berurusan dengan fitur struktural rambut hewan yang berbeda, serta jenis kerusakannya karena ketegangan, para ilmuwan mulai menggambarkan sifat mekanisnya.
Gambar No. 8: diagram regangan untuk setiap jenis rambut dan pengaturan eksperimental untuk mendapatkan data (laju regangan 10 -2 s -1 ).Seperti dapat dilihat dari grafik di atas, reaksi peregangan pada rambut dari spesies hewan yang berbeda sangat berbeda. Jadi, rambut seseorang, kuda, babi hutan dan beruang menunjukkan reaksi yang mirip dengan reaksi wol (bukan orang lain, tetapi bahan tekstil).
Dengan modulus elastisitas yang relatif tinggi sama dengan 3,5-5 GPa, kurva terdiri dari daerah linier (elastis), diikuti oleh dataran tinggi dengan tekanan yang meningkat perlahan sebelum deformasi 0,20-0,25, setelah itu tingkat pengerasan meningkat secara signifikan hingga regangan fraktur 0,40. Wilayah dataran tinggi mengacu pada
gulungan struktur
α- heliks dari filamen menengah keratin, yang dalam beberapa kasus dapat (sebagian) berubah menjadi lembaran-lembaran (struktur datar). Menyeluruh sepenuhnya mengarah ke deformasi 1,31, yang jauh lebih tinggi daripada pada akhir tahap ini (0,20-0,25).
Bagian filiform kristal dari struktur dikelilingi oleh matriks amorf yang tidak berubah. Bagian amorf sekitar 55% dari total volume, tetapi hanya dengan syarat bahwa diameter filamen antara adalah 7 nm dan dipisahkan oleh 2 nm bahan amorf. Indikator yang akurat tersebut diturunkan dalam penelitian sebelumnya.
Pada tahap deformasi, ditandai dengan pengerasan, meluncur di antara serat kortikal, serta antara elemen struktur yang lebih kecil, seperti mikrofibril, filamen menengah dan matriks amorf.
Rambut jerapah, gajah, dan tukang roti menunjukkan reaksi pengerasan yang relatif linier tanpa perbedaan yang jelas antara dataran tinggi dan area pengerasan cepat (puncak). Modulus elastisitas relatif rendah dan sama dengan sekitar 2 GPa.
Tidak seperti spesies lain, rambut capybara menunjukkan reaksi yang ditandai dengan pengerasan cepat, yang diterapkan pada strain yang berurutan. Pengamatan ini dikaitkan dengan struktur rambut capybara yang tidak biasa, dan lebih tepatnya dengan adanya dua bagian simetris dan alur longitudinal di antara mereka.
Studi sebelumnya dilakukan yang mengatakan bahwa modulus Young (modulus elastisitas longitudinal) berkurang dengan meningkatnya diameter rambut pada spesies hewan yang berbeda. Dalam karya-karya ini, dicatat bahwa modulus Young pada pembuat roti jauh lebih rendah daripada pada hewan lain, yang mungkin disebabkan oleh porositas struktur rambutnya.
Menarik juga bahwa tukang roti memiliki bercak hitam dan putih di rambut mereka (dua warna). Kerobekan robek paling sering terjadi di area putih rambut. Peningkatan stabilitas wilayah hitam dijelaskan oleh kehadiran melanos, yang ditemukan secara eksklusif di rambut hitam.
Semua pengamatan ini benar-benar unik, tetapi pertanyaan utamanya tetap - apakah dimensi rambut berperan dalam kekuatannya?
Jika Anda menggambarkan rambut pada mamalia, Anda bisa menyoroti fakta-fakta utama yang diketahui para peneliti:
- sebagian besar jenis rambut lebih tebal di bagian tengah dan meruncing ke ujung; bulu binatang liar lebih tebal karena habitatnya;
- perubahan diameter rambut dari satu spesies menunjukkan bahwa ketebalan sebagian besar rambut bervariasi dalam kisaran ketebalan umum untuk spesies hewan tertentu. Ketebalan rambut di berbagai perwakilan dari spesies yang sama dapat bervariasi, namun, masih belum diketahui apa yang mempengaruhi perbedaan ini;
- berbagai jenis mamalia memiliki ketebalan rambut yang berbeda (tidak peduli seberapa basi kedengarannya).
Dengan merangkum fakta-fakta yang tersedia secara umum ini dan data yang diperoleh selama percobaan, para ilmuwan dapat membandingkan semua hasil untuk pembentukan ketergantungan dari ketebalan rambut dan kekuatannya.
Gambar No. 9: rasio ketebalan dan kekuatan rambut pada spesies hewan yang berbeda.Karena perbedaan dalam diameter dan perpanjangan rambut, para ilmuwan memutuskan untuk mencari tahu apakah kekuatan tarik mereka dapat diprediksi berdasarkan statistik Weibull, yang secara khusus dapat memperhitungkan perbedaan dalam ukuran sampel dan ukuran cacat yang dihasilkan.Diasumsikan bahwa segmen rambut dengan volume V terdiri dari n elemen volume, dengan setiap unit volume V 0memiliki distribusi cacat yang serupa. Dengan menggunakan asumsi tautan terlemah, pada level tegangan tertentu σ, probabilitas P untuk mempertahankan integritas segmen rambut tertentu dengan volume V dapat dinyatakan sebagai produk probabilitas tambahan untuk mempertahankan integritas masing-masing elemen volume, yaitu:P ( V ) = P ( V 0 ) P ( V 0 ) ... · P ( V 0 ) = · P ( V 0 ) n dimana volume Vmengandung n elemen volume V 0 . Dengan meningkatnya tegangan, P ( V ) berkurang secara alami.Menggunakan distribusi Weibull dua-parameter, probabilitas penghancuran seluruh volume dapat dinyatakan sebagai:1 - P = 1 - exp [- V / V 0 · ( σ / σ 0 ) m ] dimana σ adalah tegangan yang diterapkan, σ 0 adalah kekuatan karakteristik (referensi) , dan 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 . . , . , .
.
, . , , , . , , — , .
, . , , . , .
, , , .
, , . :)
:)
, . ? ? , , VPS $4.99 , entry-level , : VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps $19 ? ( RAID1 RAID10, 24 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 - Equinix Tier IV ? 2 Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 $199 ! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?