Undersøgelse af elefant, capybara, menneskehår finder ud af, at tykkere hår ikke altid er stærkere

På trods af at være fire gange tykkere end menneskehår, elefanthår er kun halvt så stærkt - det er bare et fund fra forskere, der studerer hårstyrken hos mange forskellige pattedyr. Deres arbejde, fremgår af et papir, der udgav 11. december i tidsskriftet Stof , viser, at tyndt hår har en tendens til at være stærkere end tykt hår på grund af den måde, det går i stykker.

"Vi var meget overraskede over resultatet, "siger første forfatter Wen Yang, en nanoingeniørforsker ved University of California, San Diego. "Fordi, intuitivt, vi ville tro tykt hår er stærkere. Naturmaterialer har gennemgået tusinder af år med udvikling, så til os, disse materialer er meget veludviklede. Vi håber at lære af naturen og udvikle syntetiske produkter med sammenlignelige egenskaber. "

Tidligere undersøgelser har vist, at menneskehår har en styrke, der er sammenlignelig med stål, når det justeres for densitet. Dette er på grund af hårets hierarkiske struktur:menneskehår er sammensat af et ydre lag kaldet neglebåndet, der ombrydes omkring en indre cortex, der består af mange små fibre forbundet med kemiske bindinger. Inden for hver fiber, der er endnu mindre fibre indlejret. Dette strukturelle design tillader hår, som er lavet af proteiner, at være modstandsdygtig over for deformation.

Yang og hendes team, herunder forskere fra Meyers- og Ritchie -grupperne ved University of California, San Diego, og University of California, Berkeley, var nysgerrige om hår fra andre dyr deler lignende egenskaber. De indsamlede hårprøver fra otte forskellige pattedyr, herunder mennesker, bjørne, orner, heste, capybaras, javelinas, giraffer, og elefanter. Disse hår varierer i tykkelse:menneskehår er så tyndt som 80 um i diameter, mens elefanters og giraffers diameter er over 350 μm.

Forskerne bandt individuelle hårstrå til en maskine, der gradvist trak dem fra hinanden, indtil de gik i stykker. Til deres overraskelse, de fandt ud af, at tyndt hår kunne udholde større spændinger, før det gik i stykker i forhold til tykt hår. Dette gjaldt også hår fra samme art. For eksempel, tyndt hår fra et barn var stærkere end tykkere hår fra en voksen.

Ved at studere de knuste hår ved hjælp af et scanningselektronmikroskop, teamet fandt ud af, at selvom de fleste hår har en lignende struktur, de brød på forskellige måder. Hår med en diameter større end 200 μm, såsom orner, giraffer og elefanter, har en tendens til at bryde i en normal brudstilstand, en ren pause svarende til, hvad der ville ske, hvis en banan bryder i midten. Hår, der er tyndere end 200 μm, som hos mennesker, heste og bjørne, brud i en forskydningstilstand. Pausen er ujævn, som når en trægren knuses i en storm. Sondringen i krakningsbanen skyldes, at strukturelementerne i forskellige hår interagerer forskelligt.

"Klipning er, når der dannes små zig-zag revner i materialet som følge af stress, "Yang siger." Disse revner formerer sig derefter, og for nogle biologiske materialer, prøven er ikke helt brudt, før de små revner mødes. Hvis et materiale klipper, det betyder, at det kan modstå større spændinger og dermed er hårdere end et materiale, der oplever en normal brud. "

"Forestillingen om tyk at være svagere end tynd er ikke usædvanlig, og vi har fundet ud af, at det sker, når vi studerer sprøde materialer som metaltråde, "siger medforfatter Robert Ritchie ved University of California, Berkeley. "Dette er faktisk en statistisk ting, som er et større stykke vil have en større mulighed for at have en defekt. Det er lidt overraskende at se dette i hår, da hår ikke er et skørt materiale, men vi tror, ​​det er på grund af samme grund. "

Forskerne mener, at deres fund kan hjælpe forskere med at designe bedre syntetiske materialer. Men Yang siger, at hendes teams bio-inspirerede materialeproduktion stadig er i sin begyndelse. Nuværende teknologier er endnu ikke i stand til at skabe materialer, der er lige så fine som hår og har en sofistikeret hierarkisk struktur.

"Der er mange udfordringer i syntetiske materialer, vi ikke har haft en løsning på, fra hvordan man fremstiller meget små materialer til hvordan man replikerer bindingerne mellem hvert lag set i naturligt hår, "Yang siger." Men hvis vi kan skabe metaller, der har en hierarkisk struktur som hårets, vi kunne producere meget stærke materialer, som kunne bruges som redningstov og til konstruktioner. "