Bilden visar hur proteinfibrer i människohårbarken delaminerar när håret går sönder, som tyder på frakturer av mänskligt hår i skjuvläge. Upphovsman:Wen Yang
Trots att det är fyra gånger tjockare än människohår, elefanthår är bara hälften så starkt - det är bara ett fynd från forskare som studerar hårstyrkan hos många olika däggdjur. Deras arbete, visas i ett papper som publicerar den 11 december i tidningen Materia , visar att tunt hår tenderar att vara starkare än tjockt hår på grund av att det går sönder.
"Vi blev mycket förvånade över resultatet, "säger författaren Wen Yang, en forskare inom nanoteknik vid University of California, San Diego. "Eftersom, intuitivt, vi skulle tro att tjockt hår är starkare. Naturmaterial har genomgått tusentals år av utveckling, så för oss, dessa material är mycket välutvecklade. Vi hoppas kunna lära av naturen och utveckla syntetiska produkter med jämförbara egenskaper. "
Tidigare studier har funnit att människohår har en styrka som är jämförbar med stål när den justeras för densitet. Detta beror på hårets hierarkiska struktur:människohår består av ett yttre skikt som kallas nagelbanden som sveper runt en inre cortex gjord av många små fibrer som är kopplade till kemiska bindningar. Inom varje fiber, det finns ännu mindre fibrer inbäddade. Denna strukturella design tillåter hår, som är gjord av proteiner, att vara resistent mot deformation.
Yang och hennes team, inklusive forskare från Meyers- och Ritchie -grupperna vid University of California, San Diego, och University of California, Berkeley, var nyfiken på om hår från andra djur har liknande egenskaper. De samlade hårprover från åtta olika däggdjur, inklusive människor, björnar, vildsvin, hästar, capybaras, javelinas, giraffer, och elefanter. Dessa hårstrån varierar i tjocklek:människohår är så tunt som 80 μm i diameter, medan elefanternas och giraffernas diameter är över 350 μm.
Denna bild visar vildsvin hår, som har en diameter på över 200 nm och går sönder i ett normalt sprickläge. Brytytan är relativt ren utan uppenbar delaminering av cortexfibrerna. Upphovsman:Wen Yang
Forskarna band individuella hårstrån till en maskin som gradvis drog isär dem tills de gick sönder. Till deras förvåning, de fann att tunt hår kunde tåla större spänningar innan det gick sönder jämfört med tjockt hår. Detta gällde även hårstrån från samma art. Till exempel, tunt hår från ett barn var starkare än tjockare hår från en vuxen.
Genom att studera de trasiga hårstrån med hjälp av ett skanningselektronmikroskop, laget fann att även om de flesta hårstrån har en liknande struktur, de bröt på olika sätt. Hår med en diameter större än 200 μm, som till exempel vildsvin, giraffer och elefanter, tenderar att bryta i ett normalt frakturläge, en ren paus som liknar vad som skulle hända om en banan går sönder i mitten. Hår som är tunnare än 200 μm, som människors, hästar och björnar, brytning i skjuvläge. Pausen är ojämn, som när en trädgren knäcks i en storm. Skillnaden i sprickväg beror på att strukturelementen i olika hårstrån samverkar olika.
"Skjuvning är när små sicksacksprickor bildas i materialet till följd av stress, "Säger Yang." Dessa sprickor sprider sig sedan, och för vissa biologiska material, provet bryts inte helt förrän de små sprickorna möts. Om ett material klipps, det betyder att den tål större spänning och är därför tuffare än ett material som upplever en normal fraktur. "
Denna bild visar cortex av javelina hår, som har en skumliknande struktur och tillverkad av porösa celler. Upphovsman:Wen Yang
"Föreställningen om att tjock är svagare än tunn är inte ovanlig, och vi har funnit att det händer när vi studerar spröda material som metalltrådar, "säger medförfattaren Robert Ritchie vid University of California, Berkeley. "Det här är faktiskt en statistisk sak, som är en större bit kommer att ha en större möjlighet att ha en defekt. Det är lite förvånande att se detta i håret eftersom hår inte är ett sprött material, men vi tror att det är av samma anledning. "
Forskarna tror att deras resultat kan hjälpa forskare att designa bättre syntetiska material. Men Yang säger att hennes teams bioinspirerade materialtillverkning fortfarande är i sin linda. Nuvarande teknik kan ännu inte skapa material som är lika fina som hår och har en sofistikerad hierarkisk struktur.
"Det finns många utmaningar i syntetmaterial som vi inte har haft en lösning för, från hur man tillverkar mycket små material till hur man replikerar bindningarna mellan varje lager, sett i naturligt hår, "Säger Yang." Men om vi kan skapa metaller som har en hierarkisk struktur som hårets, vi kan producera mycket starka material, som kan användas som räddningsrep och för konstruktioner. "
