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研究個“毛”后,他們發(fā)現(xiàn)發(fā)絲越細(xì),強(qiáng)度越高

2020/01/09
導(dǎo)讀
九牛一毛與千鈞一發(fā)背后的秘密

pixabay.com


我們每個人頭上的頭發(fā),無論其長短多少,都具有一定的韌性和抗拉能力,但如果拉得太用力,就會斷裂開來。那么,這一現(xiàn)象背后的奧秘是什么?毛發(fā)的抗拉能力跟頭發(fā)的哪些特性相關(guān)?現(xiàn)在,這些問題有了一些回答。


在研究8種哺乳動物的毛發(fā)之后,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),毛發(fā)的抗拉強(qiáng)度隨著直徑的增加而下降,原因是毛發(fā)的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致其斷裂方式存在差異。2019年12月11日,加州大學(xué)的研究人員在《 Matter 》雜志發(fā)布了這一最新結(jié)果。


研究者認(rèn)為,這一發(fā)現(xiàn)也許可以幫助科學(xué)家設(shè)計出更好的合成材料,為合成聚合物材料的開發(fā)提供了新的啟示。


“如果我們能夠制造出具有與毛發(fā)類似層次結(jié)構(gòu)的金屬,那么我們就可以生產(chǎn)出非常堅固的材料,可應(yīng)用于救生繩以及建材等方面。”該研究的第一作者、加州大學(xué)圣迭戈分校(UCSD)和勞倫斯伯克利國家實驗室的研究員Wen Yang說。



撰文 | 李   爽(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播與科技政策系)
責(zé)編 | 陳曉雪

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 研究個“毛”:他們觀察了8種哺乳動物的毛發(fā) 

眾所周知,人類的頭發(fā)有著很強(qiáng)的韌性。有報道稱,羊毛和人發(fā)的抗拉強(qiáng)度在200-260 mpa之間,可以產(chǎn)生約150–200 MPa/Mg  m-3的特定強(qiáng)度,相當(dāng)于鋼和許多其他金屬合金(250 MPa/mg  m-3。之所以能這么 “剛”,是因為頭發(fā)的結(jié)構(gòu)決定了它的物理性質(zhì),

以不同的毛發(fā)直徑為依據(jù),研究者分別以人、馬、熊、野豬、大象、長頸鹿、水豚和西瑞(一種豬型動物)等8種哺乳動物的毛發(fā)樣本為研究對象。從人體的60μm到長頸鹿和大象的400μm以上,這些哺乳動物的毛發(fā)直徑各不相同。他們通過掃描電子顯微鏡觀察了這些毛發(fā)的結(jié)構(gòu)以及發(fā)生斷裂時的形態(tài)特征,分析了不同毛發(fā)的機(jī)械性能和增韌機(jī)制。

首先觀察的是人的頭發(fā)及其斷裂特征。人類頭發(fā)的內(nèi)部成分是皮質(zhì)纖維。對頭發(fā)進(jìn)行張力測試,研究者發(fā)現(xiàn)其角質(zhì)層和皮質(zhì)層以不同的方式斷裂。角質(zhì)層通常以脆性的方式斷裂(類似于樹枝斷裂),而皮質(zhì)層中的纖維則被拉出,并與表皮發(fā)生完全脫層,產(chǎn)生了頸縮現(xiàn)象,也就是在拉伸應(yīng)力下,毛發(fā)發(fā)生了局部的截面縮減。
圖1,A為人發(fā)的角質(zhì)層排列,D為人類毛發(fā)在斷裂過程中,皮質(zhì)纖維被拉出的細(xì)節(jié)。

隨后,研究者依次觀察了馬、熊、大象、長頸鹿、以及水豚與西瑞的毛發(fā)。有趣的是,水豚和西猯(音:tuān),這兩種看似比較陌生的動物,它們的毛發(fā)結(jié)構(gòu)與其他動物的毛發(fā)樣本完全不同。

水豚(Capybara)為嚙齒動物,通常棲息于植物繁茂的沼澤地中。在掃描電子顯微鏡下,它的毛發(fā)形態(tài)是一個類似于凹槽的結(jié)構(gòu)——兩邊對稱,中間有一道小溝。作者解釋說,這種特殊的結(jié)構(gòu)便于水順著水豚的毛發(fā)滴下來,大面積暴露于風(fēng)和陽光下,從而快速干燥。當(dāng)水豚的毛發(fā)受到拉力,產(chǎn)生的裂紋傾向于將這一對稱結(jié)構(gòu)分開,使其中的皮質(zhì)纖維產(chǎn)生分層并被拉出。
圖2 水豚以及其毛發(fā)的角質(zhì)層排列

西猯(Javelina)是一種豬型動物。當(dāng)面對掠食者時,頸部的毛發(fā)會張開——類似于爆炸頭,看起來十分兇猛。西猯的毛發(fā)直徑大約在300nm左右,其皮質(zhì)中包含著許多大小約為10-30nm左右的封閉細(xì)胞,它們由纖維結(jié)構(gòu)相連接。當(dāng)對其施加拉力時,由于缺乏皮質(zhì)纖維的支撐,角質(zhì)層發(fā)生破裂,連接上述封閉細(xì)胞的纖維結(jié)構(gòu)被拉出,并在張力下產(chǎn)生輕微分層。研究者認(rèn)為,這種纖維結(jié)構(gòu)最大程度地提高了其剛度,使頸部的頭發(fā)直立,以虛擬的方式增加其大小,從而形成對抗掠食者的防御機(jī)制。

圖3 西猯及其毛發(fā)的表面形態(tài)


 越細(xì)越“剛”:毛發(fā)的抗拉強(qiáng)度隨著直徑的減小而增大 

根據(jù)觀測的這些結(jié)果,作者繪制了不同毛發(fā)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖4體現(xiàn)了不同物種的頭發(fā)在拉伸響應(yīng)方面的顯著差異。曲線的橫坐標(biāo)是應(yīng)變(反映毛發(fā)的形變程度),縱坐標(biāo)是外加的應(yīng)力(單位毛發(fā)面積上的內(nèi)力)。

從圖4可以看出,人、熊、野豬的毛發(fā)能夠達(dá)到相對較高的應(yīng)力,而馬、長頸鹿、大象和西瑞的應(yīng)力相對則較低。水豚的應(yīng)力-應(yīng)變曲線則比較特殊,其應(yīng)變達(dá)到0.1左右便發(fā)生斷裂。應(yīng)力越高,代表毛發(fā)能夠承受的拉力越大,也就是韌性越強(qiáng)。

圖4 這8種哺乳動物毛發(fā)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線


因此,研究者試圖發(fā)現(xiàn)這些毛發(fā)在斷裂時的應(yīng)力與它們的直徑之間的關(guān)聯(lián),而結(jié)果恰恰說明,毛發(fā)的最大應(yīng)力與它們的直徑成反比——平均直徑從小到大分別為熊、人、馬、野豬、西猯、大象、長頸鹿,而最大應(yīng)力從大到小的排序也與直徑相吻合(其中水豚的毛發(fā)直徑與野豬大致相似,但因其特殊結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致其在較小的應(yīng)力水平上斷裂)。這樣就得出結(jié)論——這些哺乳動物的最大斷裂應(yīng)力與它們的毛發(fā)直徑成比例,亦即毛發(fā)直徑越細(xì),抗拉強(qiáng)度越高。

圖5 橫坐標(biāo)為這些哺乳動物的平均直徑分布,縱坐標(biāo)為它們各自斷裂時的應(yīng)力大小,可以看出二者呈反比趨勢

 有望為合成聚合物材料的開發(fā)提供啟示 

筆者也對這項研究的第一作者 Wen Yang 進(jìn)行了采訪。總體而言,作者認(rèn)為這一研究有著光明的應(yīng)用前景,有望為人工合成聚合物的開發(fā)提供啟示,但還存在著一系列的挑戰(zhàn)。


《知識分子》:這一研究結(jié)論在應(yīng)用層面上可能帶來哪些新的發(fā)展或突破?例如,利用毛發(fā)直徑與強(qiáng)度之間的明確相關(guān)性這一結(jié)論可能為哪種新材料的發(fā)明提供啟發(fā)?

Wen Yang:我們首先研究了人的頭發(fā)和馬的毛發(fā),我們想知道大象的毛發(fā)是否可以更強(qiáng)韌。因此,我們收集了所有毛發(fā)并研究了其機(jī)械性能,令人驚訝的是,我們發(fā)現(xiàn)越細(xì)的頭發(fā)越堅固。此外,我們還發(fā)現(xiàn)了裂紋路徑模式與頭發(fā)直徑之間的關(guān)系,以及各種強(qiáng)度的頭發(fā)的不同增韌機(jī)理。我們的主要目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)自然的奧秘及其對我們未來生物啟發(fā)應(yīng)用的增韌機(jī)理。

《知識分子》:目前這一研究的應(yīng)用有哪些挑戰(zhàn)?

Wen Yang:生物毛發(fā)具有納米級、微米級、以及宏觀尺度的層次結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用中的困難是在合成中縮小其比例。例如,對于目前的3D打印,很難針對納米級特征和層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印,這需要開發(fā)出合適的墨水,還需要進(jìn)行界面結(jié)合方面的研究。

《知識分子》:這一研究的應(yīng)用會對人們的日常生活帶來什么直接或間接的影響或變化?

Wen Yang:自然界中的許多謎團(tuán)尚未得以探索和研究。我們正在嘗試使用自然界中的相似理論來創(chuàng)造可以應(yīng)用的堅固材料。從如何制造非常微小的材料,到如何復(fù)制天然發(fā)質(zhì)中每一層之間的生物鍵,合成材料還存在許多挑戰(zhàn),當(dāng)前我們還沒有解決的方法。但是如果我們能夠制造出具有與毛發(fā)類似層次結(jié)構(gòu)的金屬,那么我們就可以生產(chǎn)出非常堅固的材料,可應(yīng)用于救生繩以及建材等方面。

相關(guān)論文
Yang, Wen, Yang Yu, Robert O. Ritchie, and Marc A. Meyers. "On the Strength of Hair across Species." Matter (2019).

制版編輯 | 皮皮魚
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