Det är ett problem som har plågat skönhetsindustrin i mer än ett sekel:Att dö hår för ofta kan irreparabelt skada dina silkeslena hårstrån.

Nu har ett team från Northwestern University använt materialvetenskap för att lösa detta urgamla problem. Teamet har utnyttjat supermaterial grafen för att utveckla en ny hårfärgning som är giftfri, skadar inte och håller många tvättar utan att blekna. Grafens ledande natur öppnar också för nya möjligheter för hår, som att förvandla den till in situ-elektroder eller integrera den med bärbara elektroniska enheter.

Studien publicerades online idag (15 mars) av tidskriften Chem . Jiaxing Huang, professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering, ledde forskningen.

Att dö hår kan verka enkelt och vanligt, men det är faktiskt en sofistikerad kemisk process. Kallas nagelbandet, det yttersta lagret av ett hårstrå är gjort av celler som överlappar varandra i ett fjällliknande mönster. Kommersiella färgämnen fungerar genom att använda starka kemikalier, såsom ammoniak och blekmedel, att först bända upp nagelbandsfjällen för att tillåta färgämnesmolekyler inuti och sedan utlösa en reaktion inuti håret för att producera mer färg. Denna process gör inte bara att håret blir skörare, några av de små molekylerna är också ganska giftiga.

Huang och hans team kringgick skadliga kemikalier helt och hållet genom att utnyttja den naturliga geometrin hos grafenark. Medan nuvarande hårfärger använder en cocktail av små molekyler som fungerar genom att kemiskt förändra håret, grafenark är mjuka och flexibla, så de lindas runt varje hårstrå för en jämn päls. Huangs formel innehåller också ätbara, giftfria polymerbindemedel för att säkerställa att grafenen fastnar – och håller i minst 30 tvättar, vilket är det kommersiella kravet för permanent hårfärgning. En extra bonus:grafen är antistatisk, så det håller vinterväder flyaways till ett minimum.

"Det liknar skillnaden mellan en våt pappershandduk och en tennisboll, Huang förklarade, jämför geometrin för grafen med den för andra svarta pigmentpartiklar, såsom kimrök eller järnoxid, som endast kan användas i tillfälliga hårfärger. "Pappershandduken kommer att lindas in och fastna mycket bättre. De bollliknande partiklarna avlägsnas mycket lättare med schampo."

Denna geometri bidrar också till varför grafen är ett säkrare alternativ. Medan små molekyler lätt kan andas in eller passera genom hudbarriären, grafen är för stort för att komma in i kroppen. "Jämfört med de små molekylerna som används i nuvarande hårfärger, grafenflingor är enorma, " sa Huang.

Ända sedan grafen – det tvådimensionella nätverket av kolatomer – sprack upp på vetenskapsscenen 2004, möjligheterna för det lovande materialet har verkat nästan oändliga. Med sin ultrastarka och lätta struktur, grafen har potential för många tillämpningar inom högpresterande elektronik, höghållfasta material och energiapparater. Men utvecklingen av dessa applikationer kräver ofta att grafenmaterial är så strukturellt perfekta som möjligt för att uppnå extraordinära elektriska, mekaniska eller termiska egenskaper.

Den viktigaste grafenegenskapen för Huangs hårfärgning, dock, är helt enkelt dess färg:svart. Så Huangs team använde grafenoxid, en ofullkomlig version av grafen som är en billigare, mer tillgängligt oxiderat derivat.

"Vår hårfärgningsmedel löser ett verkligt problem utan att förlita sig på grafen av mycket hög kvalitet, som är extremt svår att göra, " sa Huang. "Jag känner mig optimistisk inför denna ansökan."

Fortfarande, framtida versioner av färgämnet skulle en dag potentiellt kunna utnyttja grafens anmärkningsvärda egenskaper, inklusive dess mycket ledande karaktär.

"Folk skulle kunna applicera denna färg för att göra håret ledande på ytan, Huang sa. "Den kan sedan integreras med bärbar elektronik eller bli en ledande sond. Vi är bara begränsade av vår fantasi."

Än så länge, Huang har utvecklat grafenbaserade hårfärger i flera nyanser av brunt och svart. Nästa, han planerar att experimentera med fler färger.