O cabelo para uma pessoa moderna nada mais é do que um elemento de auto-identificação visual, parte da imagem e da imagem. Apesar disso, essas formações de pele com tesão têm várias funções biológicas importantes: proteção, termorregulação, toque, etc. Quão forte é o nosso cabelo? Como se viu, eles são muitas vezes mais fortes que os cabelos de um elefante ou uma girafa.
Hoje, encontraremos um estudo em que cientistas da Universidade da Califórnia (EUA) decidiram verificar como a espessura do cabelo e sua força se correlacionam em diferentes espécies de animais, incluindo seres humanos. Quais cabelos foram os mais duráveis, quais propriedades mecânicas os cabelos de diferentes tipos possuem e como esse estudo pode ajudar no desenvolvimento de novos tipos de materiais? Aprendemos sobre isso com o relatório dos cientistas. Vamos lá
Base de estudo
O cabelo, que consiste principalmente de proteína de queratina, é a formação de pele com tesão dos mamíferos. De fato, cabelo, lã e pêlo são sinônimos. Em sua estrutura, o cabelo consiste em placas de queratina, sobrepostas umas sobre as outras, como juntas de dominó caindo umas nas outras. Cada cabelo tem três camadas: cutícula - a camada externa e protetora; córtex - uma substância cortical que consiste em células mortas alongadas (importantes para a força e elasticidade do cabelo, determina sua cor devido à melanina) e a medula - a camada central do cabelo, que consiste em células de queratina mole e cavidades de ar, envolvidas na transferência de nutrientes para outros camadas.
Se o cabelo estiver dividido verticalmente, obtemos a área cutânea (haste) e subcutânea (bulbo ou raiz). O bulbo é cercado por um folículo, cuja forma do cabelo depende: um folículo redondo - um folículo reto, oval - levemente encaracolado, um folículo em forma de rim - encaracolado.
Muitos cientistas sugerem que, devido ao progresso tecnológico, a evolução humana está mudando. Ou seja, alguns órgãos e estruturas do nosso corpo estão gradualmente se tornando rudimentares - aqueles que perderam o objetivo pretendido. Tais partes do corpo incluem dentes do siso, apêndice e linha do cabelo no corpo. Em outras palavras, os cientistas acreditam que, com o tempo, essas estruturas simplesmente desaparecerão da nossa anatomia. É verdade ou não, é difícil dizer, mas para muitas pessoas comuns, os dentes do siso, por exemplo, estão associados a visitar um dentista para sua inevitável extração.
Seja como for, uma pessoa precisa de cabelo, talvez ela não tenha mais um papel crucial na termorregulação, mas na estética ela ainda é parte integrante. O mesmo pode ser dito sobre a cultura mundial. Em muitos países, desde tempos imemoriais, o cabelo era considerado a fonte de toda a força, e sua circuncisão estava associada a possíveis problemas de saúde e até a falhas de vida. O significado sagrado do cabelo migrou dos rituais xamanísticos das tribos antigas para as religiões mais modernas, as obras de escritores, artistas e escultores. Em particular, a beleza feminina costumava estar intimamente relacionada com a aparência ou a aparência dos cabelos de lindas damas (por exemplo, em pinturas).
Observe como os cabelos de Vênus são detalhados (Sandro Botticelli, O Nascimento de Vênus, 1485).Deixemos de lado o aspecto cultural e estético do cabelo e passemos a considerar o estudo dos cientistas.
O cabelo, de uma forma ou de outra, está presente em muitas espécies de mamíferos. Se, para os humanos, não são mais tão importantes do ponto de vista biológico, para outros representantes do mundo animal, lã e pêlo são atributos vitais. Além disso, em sua estrutura básica, o cabelo humano e, por exemplo, o cabelo de elefante são muito semelhantes, embora haja diferenças. O mais óbvio deles são as dimensões, porque os pelos de um elefante são muito mais grossos que os nossos, mas, como se viu, não são mais fortes.
Os cientistas estudam cabelos e lã há algum tempo. Os resultados desses trabalhos foram implementados tanto na cosmetologia quanto na medicina, e na indústria leve (ou, como dizia o conhecido Kalugina L.P .: "indústria leve"), ou melhor, na indústria têxtil. Além disso, o estudo do cabelo ajudou muito no desenvolvimento de biomateriais à base de queratina, que no início do século passado aprenderam a se isolar dos chifres dos animais com cal.
A queratina assim obtida foi usada para criar géis que poderiam ser fortalecidos pela adição de formaldeído. Mais tarde, eles aprenderam a isolar a queratina não apenas dos chifres dos animais, mas também de seus cabelos, bem como dos cabelos humanos. As substâncias criadas à base de queratina foram aplicadas em cosméticos, compósitos e até no revestimento de comprimidos.
Hoje, o setor de estudo e produção de materiais fortes e leves está se desenvolvendo rapidamente. O cabelo, por natureza, é um dos materiais naturais que inspiram esses estudos. Qual é a resistência à tração da lã e do cabelo humano, que varia de 200 a 260 MPa, que é equivalente a uma resistência específica de 150-200 MPa / mg m
-3 . E isso é quase comparável ao aço (250 MPa / mg m
-3 ).
O principal papel na formação das propriedades mecânicas do cabelo é desempenhado por sua estrutura hierárquica semelhante a uma boneca de ninho. O elemento mais importante dessa estrutura é o córtex interno das células corticais (diâmetro de cerca de 5 μm e comprimento de 100 μm), consistindo de macrofibrilas agrupadas (diâmetro de 0,2-0,4 μm), que, por sua vez, consistem em filamentos intermediários (7,5 nm de diâmetro) ) incorporado na matriz amorfa.
As propriedades mecânicas do cabelo, sua sensibilidade à temperatura, umidade e deformação são um resultado direto da interação dos componentes amorfos e cristalinos do córtex. As fibras de queratina do córtex capilar humano geralmente têm maiores propriedades elásticas com uma tensão elástica de mais de 40%.
Um valor tão alto se deve ao desenrolamento da estrutura da
α- queratina e, em alguns casos, à sua conversão em
β- queratina, o que leva a um aumento no comprimento (uma rotação de hélice completa de 0,52 nm se estende a 1,2 nm na configuração
b ). Esta é uma das principais razões pelas quais muitos estudos se concentraram na queratina, a fim de recriá-la de forma sintética. Mas a camada externa do cabelo (cutícula), como já sabemos, consiste em placas (0,3 a 0,5 mm de espessura e 40 a 60 mm de comprimento).
Anteriormente, os cientistas já haviam realizado um estudo das propriedades mecânicas do cabelo de pessoas de diferentes idades e grupos étnicos. Neste trabalho, a ênfase foi colocada no estudo da diferença nas propriedades mecânicas dos pêlos de diferentes espécies de animais, a saber: homem, cavalo, urso, javali, capivara, padeiros, girafa e elefante.
Resultados da pesquisa
Imagem nº 1: morfologia de um cabelo humano (cutícula A; fratura do córtex B ; mostrando as extremidades das fibras; superfície da fratura C onde três camadas são visíveis; superfície do córtex lateral D mostrando alongamento da fibra).O cabelo de um adulto em diâmetro é de cerca de 80-100 mícrons. Com o cuidado normal do cabelo, sua aparência é bastante holística (
1A ). O componente interno do cabelo humano é o córtex fibroso. Após um teste de tração, verificou-se que a cutícula e o córtex do cabelo humano se rompiam de maneira diferente: a cutícula geralmente se rompia abrasivamente (desintegrada), e as fibras de queratina no córtex eram descascadas e estendidas da estrutura geral (
1B ).
Na figura
1C , a superfície frágil da cutícula é claramente visível com a visualização de camadas que se sobrepõem às placas de cutícula e têm uma espessura de 350 a 400 nm. A delaminação observada na superfície da fratura, bem como a natureza frágil dessa superfície, mostram uma conexão interfacial fraca entre a cutícula e o córtex, bem como entre as fibras dentro do córtex.
As fibras de queratina no córtex foram delaminadas (
1D ). Isso sugere que o córtex fibroso é o principal responsável pela força mecânica do cabelo.
Imagem No. 2: morfologia do pelo de cavalo ( A - cutícula, algumas placas ligeiramente desviadas devido à falta de cuidado; B - aparência da lacuna; C - detalhes da ruptura do córtex onde a cutícula rasgada é visível; D - detalhes da cutícula).A estrutura dos pêlos de cavalo é semelhante à humana, com exceção do diâmetro, que é 50% maior (150 mícrons). Na figura
2A, você pode ver danos óbvios na cutícula, onde muitas placas não estão tão intimamente conectadas ao eixo quanto no cabelo humano. A ruptura do pêlo de cavalo contém uma ruptura regular e uma ruptura do pêlo (delaminação das placas de cutícula). Em
2B, ambas as opções de dano são visíveis. Em áreas onde as placas são completamente arrancadas, a interface entre a cutícula e o córtex (
2C ) é visível. Várias fibras foram arrancadas e delaminadas na área da interface. Comparando os dados de observação com os anteriores (cabelo humano), essa destruição indica que o cabelo do cavalo não experimentou a mesma tensão intensa que o cabelo humano quando as fibras do córtex foram alongadas e completamente separadas da cutícula. Também é visto que algumas das placas foram desconectadas da haste, o que pode ser devido ao esforço de tração (
2D ).
Imagem 3: morfologia de um pêlo de urso ( A - cutícula; B - dano em dois pontos associados à área de ruptura; C - trincamento da cutícula com delaminação das fibras no córtex; D - detalhes da estrutura da fibra, várias fibras alongadas da estrutura geral são visíveis).A espessura do pêlo de urso é de 80 mícrons. As placas de cutícula são extremamente bem presas uma à outra (
3A ) e, em algumas áreas, é ainda difícil distinguir placas individuais. Isso pode ser causado pelo atrito do cabelo nos vizinhos. Sob tensão de tração, esses cabelos se separam literalmente com o aparecimento de longas rachaduras (inserção em
3B ), o que indica que, com o fraco efeito de ligação da cutícula danificada, as fibras de queratina no córtex são facilmente delaminadas. A estratificação do córtex causa uma lacuna na cutícula, como evidenciado por um padrão de fratura em zigue-zague (
3C ). Esse estresse leva à tração de algumas fibras do córtex (
3D ).
Imagem nº 4: morfologia do cabelo de javali ( A - fratura normal do cabelo liso; B - a estrutura da cutícula mostra uma má integridade (agrupamento) das placas; C - detalhes da lacuna na interface entre a cutícula e o córtex; D - fibras estendidas e protuberantes da massa total) .O cabelo de javali é bastante espesso (230 mícrons), especialmente quando comparado ao cabelo de urso. A ruptura do pêlo de um javali durante o dano parece bastante distinta (
4A ) perpendicular à direção da tensão sob tensão.
Placas de cutícula expostas relativamente pequenas foram arrancadas do corpo principal do cabelo devido ao alongamento das bordas (
4B ).
A separação das fibras é claramente visível na superfície da zona de fratura; também é visto que elas estavam muito interconectadas dentro do córtex (
4C ). Somente as fibras na interface entre o córtex e a cutícula foram expostas devido à separação (
4D ), que revelou a presença de fibrilas grossas do córtex (250 nm de diâmetro). Algumas das fibrilas se projetavam levemente devido à deformação. Acredita-se que eles sirvam como um pêlo de reforço para javalis.
Imagem nº 5: morfologia de pelos de elefante ( A - C ) e girafa ( D - F ). A - cutícula; In -step quebra de cabelo; Os vazios C dentro do cabelo indicam onde as fibras foram rasgadas. D - placas cuticulares; E - até quebra de cabelo; F - fibras arrancadas da superfície na área do intervalo.O cabelo de um bezerro de elefante pode ter cerca de 330 mícrons de espessura e, em um adulto, pode atingir 1,5 mm. As placas na superfície são difíceis de distinguir (
5A ) .O cabelo de elefante também é propenso à destruição normal, isto é, fratura pura sob tensão. Além disso, a morfologia da superfície da fratura demonstra uma forma gradual (
5B ), possivelmente devido à presença de defeitos menores no córtex capilar. Na superfície da falha, você também pode ver alguns pequenos orifícios, onde antes do dano, provavelmente, as fibrilas de reforço (
5C ) estavam localizadas.
O cabelo da girafa também é bastante grosso (370 mícrons), embora a localização das placas de cutícula não seja tão clara (
5D ). Acredita-se que isso se deva ao dano causado por vários fatores ambientais (por exemplo, atrito contra árvores durante a alimentação). Apesar das diferenças, a fratura do cabelo da girafa foi semelhante à de um elefante (
5F ).
Imagem nº 6: morfologia capilar da capivara ( A é a estrutura cuticular dupla das placas; B é o rasgo da estrutura dupla; C é a fibra próxima à linha de rasgo que parece quebradiça e rígida; D é a fibra alongada da zona de rasgo da estrutura dupla).As capivaras e os padeiros são diferentes de todos os outros cabelos examinados. Nas capivaras, a principal diferença é a presença de uma configuração de cutícula dupla e um formato de cabelo oval (
6A ). O sulco entre as duas partes espelhadas do cabelo é necessário para uma remoção mais rápida da água dos pêlos do animal, bem como para uma melhor ventilação, o que permite secar mais rapidamente. Quando expostos ao alongamento, o cabelo é dividido em duas partes ao longo do sulco e cada uma delas é destruída (
6B ). Muitas fibras do córtex são delaminadas e esticadas (
6C e
6D ).
Imagem nº 7: morfologia do cabelo do queixo ( A - estrutura da cutícula e local da ruptura; B - morfologia da destruição do córtex e detalhes de sua estrutura; C - células fechadas (20 μm de diâmetro), cujas paredes são constituídas por fibras; paredes das células D ).Em padeiros (a família
Tayassuidae , isto é, queixada), o cabelo tem um córtex poroso e a camada de cutícula não possui placas claras (
7A ). O córtex capilar contém células fechadas medindo 10-30 mícrons (
7B ), cujas paredes são compostas por fibras de queratina (
7C ). Essas paredes são bastante porosas e o tamanho de um poro é de cerca de 0,5 a 3 μm (
7D ).
Como pode ser visto na imagem
7A , sem o apoio do córtex fibroso, a cutícula se rompe ao longo da linha de ruptura e as fibras são esticadas em alguns lugares. Essa estrutura capilar é necessária para que o cabelo fique mais vertical, aumentando visualmente o tamanho do animal, o que pode ser um mecanismo de proteção para os padeiros. Os pêlos dos padeiros resistem muito bem à compressão, mas não conseguem lidar com o alongamento.
Tendo lidado com as características estruturais dos cabelos de diferentes animais, bem como com seus tipos de danos devido à tensão, os cientistas começaram a descrever as propriedades mecânicas.
Imagem nº 8: diagrama de deformação para cada tipo de cabelo e configuração experimental para obtenção de dados (taxa de deformação 10 -2 s -1 ).Como pode ser visto no gráfico acima, a reação ao alongamento nos pelos de diferentes espécies animais foi bem diferente. Assim, os pêlos de uma pessoa, cavalo, javali e urso mostraram uma reação semelhante à reação da lã (não de outra pessoa, mas de material têxtil).
Com um módulo de elasticidade relativamente alto igual a 3,5–5 GPa, as curvas consistem em uma região linear (elástica), seguida por um platô com um estresse que aumenta lentamente antes da deformação de 0,20-0,25, após o qual a taxa de endurecimento aumenta significativamente até que a tensão da fratura seja 0,40. A região do platô refere-se ao desenrolamento da estrutura a-helicoidal dos filamentos intermediários de queratina, que em alguns casos podem (parcialmente) se transformar em chapas
β (estruturas planas). O desenrolamento completo leva a uma deformação de 1,31, que é muito mais alta do que no final deste estágio (0,20-0,25).
A parte filiforme cristalina da estrutura é cercada por uma matriz amorfa que não se transforma. A parte amorfa é de cerca de 55% do volume total, mas apenas com a condição de que o diâmetro dos filamentos intermediários seja de 7 nm e que eles sejam separados por 2 nm de material amorfo. Tais indicadores precisos foram obtidos em estudos anteriores.
No estágio de deformação, caracterizado pelo endurecimento, deslize entre as fibras corticais, bem como entre elementos estruturais menores, como microfibrilas, filamentos intermediários e uma matriz amorfa.
Os cabelos de uma girafa, elefante e padeiros mostram uma reação de endurecimento relativamente linear sem uma distinção clara entre planaltos e áreas de endurecimento rápido (picos). O módulo de elasticidade é relativamente baixo e igual a cerca de 2 GPa.
Ao contrário de outras espécies, o cabelo da capivara exibe uma reação caracterizada pelo endurecimento rápido, sobre o qual são aplicadas tensões sucessivas. Essa observação está associada à estrutura incomum dos cabelos capivara e, mais precisamente, à presença de duas partes simétricas e um sulco longitudinal entre elas.
Estudos anteriores foram realizados, dizendo que o módulo de Young (módulo de elasticidade longitudinal) diminui com o aumento do diâmetro do cabelo em diferentes espécies animais. Nesses trabalhos, observou-se que o módulo de Young em padeiros é muito menor que em outros animais, o que pode ser devido à porosidade da estrutura de seu cabelo.
Também é interessante que os padeiros tenham manchas pretas e brancas em seus cabelos (duas cores). Quebras de laceração ocorrem com mais frequência na área branca do cabelo. O aumento da estabilidade da região negra é explicado pela presença de melanos, encontrada exclusivamente em cabelos pretos.
Todas essas observações são realmente únicas, mas a principal questão permanece - as dimensões do cabelo desempenham um papel em sua força?
Se você descrever o cabelo em mamíferos, poderá destacar os principais fatos conhecidos pelos pesquisadores:
- a maioria dos tipos de cabelo é mais grossa na parte central e afunila no final; a pelagem de animais selvagens é mais espessa devido ao seu habitat;
- mudanças no diâmetro dos pêlos de uma espécie mostram que a espessura da maioria dos pêlos varia dentro da faixa geral de espessura para uma dada espécie animal. A espessura dos cabelos em diferentes representantes da mesma espécie pode variar, no entanto, ainda não se sabe o que essa diferença afeta;
- diferentes tipos de mamíferos têm diferentes espessuras de pêlos (não importa o quão banal possa parecer).
Resumindo esses fatos geralmente disponíveis e os dados obtidos durante os experimentos, os cientistas foram capazes de comparar todos os resultados para a formação de dependências da espessura do cabelo e de sua força.
Imagem nº 9: a proporção entre espessura e força do cabelo em diferentes espécies animais.Devido a diferenças no diâmetro e no alongamento do cabelo, os cientistas decidiram descobrir se sua resistência à tração pode ser prevista com base nas estatísticas de Weibull, que podem levar especificamente em consideração as diferenças no tamanho da amostra e no tamanho do defeito resultante.Supõe-se que um segmento de cabelo com volume V consiste em n elementos de volume, com cada volume unitário V 0tem uma distribuição semelhante de defeitos. Usando a suposição do elo mais fraco, em um determinado nível de tensão σ, a probabilidade P de manter a integridade de um determinado segmento de cabelo com volume V pode ser expressa como o produto de probabilidades adicionais de manter a integridade de cada um dos elementos de volume, a saber:P ( V ) = P ( V 0 ) P ( V 0 ) ... · P ( V 0 ) = · P ( V 0 ) nonde o volume Vcontém n elementos do volume V 0 . Com o aumento da tensão, P ( V ) diminui naturalmente.Usando a distribuição Weibull de dois parâmetros, a probabilidade de destruição de todo o volume pode ser expressa como:1 - P = 1 - exp [- V / V 0 · ( σ / σ 0 ) m ]onde σ é a tensão aplicada, σ 0 é a força característica (referência) e 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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