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“毛”的最新研究:发丝越细 强度越高

我们每个人头上的头发,无论其长短多少,都具有一定的韧性和抗拉能力,但如果拉得太用力,就会断裂开来。那么,这一现象背后的奥秘是什么?毛发的抗拉能力跟头发的哪些特性相关?现在,这些问题有了一些回答。
 
在研究8种哺乳动物的毛发之后,科学家们发现,毛发的抗拉强度随着直径的增加而下降,原因是毛发的结构而导致其断裂方式存在差异。2019年12月11日,加州大学的研究人员在《 Matter 》杂志发布了这一最新结果。
 
研究者认为,这一发现也许可以帮助科学家设计出更好的合成材料,为合成聚合物材料的开发提供了新的启示。
 
“如果我们能够制造出具有与毛发类似层次结构的金属,那么我们就可以生产出非常坚固的材料,可应用于救生绳以及建材等方面。”该研究的第一作者、加州大学圣迭戈分校(UCSD)和劳伦斯伯克利国家实验室的研究员Wen Yang说。
 
撰文 | 李 爽(中国科学技术大学科技传播与科技政策系)
责编 | 陈晓雪
 
研究个“毛”:他们观察了8种哺乳动物的毛发
 
众所周知,人类的头发有着很强的韧性。有报道称,羊毛和人发的抗拉强度在200-260 mpa之间,可以产生约150–200 MPa/Mg m-3的特定强度,相当于钢和许多其他金属合金(250 MPa/mg m-3)。之所以能这么 “刚”,是因为头发的结构决定了它的物理性质,以不同的毛发直径为依据,加州大学的研究者分别以人、马、熊、野猪、大象、长颈鹿、水豚和西瑞(一种猪型动物)等8种哺乳动物的毛发样本为研究对象。从人体的60μm到长颈鹿和大象的400μm以上,这些哺乳动物的毛发直径各不相同。他们通过扫描电子显微镜观察了这些毛发的结构以及发生断裂时的形态特征,分析了不同毛发的机械性能和增韧机制。
 
首先观察的是人的头发及其断裂特征。人类头发的内部成分是皮质纤维。对头发进行张力测试,研究者发现其角质层和皮质层以不同的方式断裂。角质层通常以脆性的方式断裂(类似于树枝断裂),而皮质层中的纤维则被拉出,并与表皮发生完全脱层,产生了颈缩现象,也就是在拉伸应力下,毛发发生了局部的截面缩减。
 
 
随后,研究者依次观察了马、熊、大象、长颈鹿、以及水豚与西瑞的毛发。有趣的是,水豚和西猯(音:tuān),这两种看似比较陌生的动物,它们的毛发结构与其他动物的毛发样本完全不同。
 
水豚(Capybara)为啮齿动物,通常栖息于植物繁茂的沼泽地中。在扫描电子显微镜下,它的毛发形态是一个类似于凹槽的结构——两边对称,中间有一道小沟。作者解释说,这种特殊的结构便于水顺着水豚的毛发滴下来,大面积暴露于风和阳光下,从而快速干燥。当水豚的毛发受到拉力,产生的裂纹倾向于将这一对称结构分开,使其中的皮质纤维产生分层并被拉出。
 
 
西猯(Javelina)是一种猪型动物。当面对掠食者时,颈部的毛发会张开——类似于爆炸头,看起来十分凶猛。西猯的毛发直径大约在300nm左右,其皮质中包含着许多大小约为10-30nm左右的封闭细胞,它们由纤维结构相连接。当对其施加拉力时,由于缺乏皮质纤维的支撑,角质层发生破裂,连接上述封闭细胞的纤维结构被拉出,并在张力下产生轻微分层。研究者认为,这种纤维结构最大程度地提高了其刚度,使颈部的头发直立,以虚拟的方式增加其大小,从而形成对抗掠食者的防御机制。
 
 
越细越“刚”:毛发的抗拉强度随着直径的减小而增大
 
根据观测的这些结果,作者绘制了不同毛发的应力-应变曲线,图4体现了不同物种的头发在拉伸响应方面的显著差异。曲线的横坐标是应变(反映毛发的形变程度),纵坐标是外加的应力(单位毛发面积上的内力)。
 
从图4可以看出,人、熊、野猪的毛发能够达到相对较高的应力,而马、长颈鹿、大象和西瑞的应力相对则较低。水豚的应力-应变曲线则比较特殊,其应变达到0.1左右便发生断裂。应力越高,代表毛发能够承受的拉力越大,也就是韧性越强。
 
 
因此,研究者试图发现这些毛发在断裂时的应力与它们的直径之间的关联,而结果恰恰说明,毛发的最大应力与它们的直径成反比——平均直径从小到大分别为熊、人、马、野猪、西猯、大象、长颈鹿,而最大应力从大到小的排序也与直径相吻合(其中水豚的毛发直径与野猪大致相似,但因其特殊结构而导致其在较小的应力水平上断裂)。这样就得出结论——这些哺乳动物的最大断裂应力与它们的毛发直径成比例,亦即毛发直径越细,抗拉强度越高。
 
 
有望为合成聚合物材料的开发提供启示
 
笔者也对这项研究的第一作者 Wen Yang 进行了采访。总体而言,作者认为这一研究有着光明的应用前景,有望为人工合成聚合物的开发提供启示,但还存在着一系列的挑战。
 
《知识分子》:这一研究结论在应用层面上可能带来哪些新的发展或突破?例如,利用毛发直径与强度之间的明确相关性这一结论可能为哪种新材料的发明提供启发?
 
Wen Yang:我们首先研究了人的头发和马的毛发,我们想知道大象的毛发是否可以更强韧。因此,我们收集了所有毛发并研究了其机械性能,令人惊讶的是,我们发现越细的头发越坚固。此外,我们还发现了裂纹路径模式与头发直径之间的关系,以及各种强度的头发的不同增韧机理。我们的主要目标是发现自然的奥秘及其对我们未来生物启发应用的增韧机理。
 
《知识分子》:目前这一研究的应用有哪些挑战?
 
Wen Yang:生物毛发具有纳米级、微米级、以及宏观尺度的层次结构。在应用中的困难是在合成中缩小其比例。例如,对于目前的3D打印,很难针对纳米级特征和层次结构进行打印,这需要开发出合适的墨水,还需要进行界面结合方面的研究。
 
《知识分子》:这一研究的应用会对人们的日常生活带来什么直接或间接的影响或变化?
 
Wen Yang:自然界中的许多谜团尚未得以探索和研究。我们正在尝试使用自然界中的相似理论来创造可以应用的坚固材料。从如何制造非常微小的材料,到如何复制天然发质中每一层之间的生物键,合成材料还存在许多挑战,当前我们还没有解决的方法。但是如果我们能够制造出具有与毛发类似层次结构的金属,那么我们就可以生产出非常坚固的材料,可应用于救生绳以及建材等方面。
 
相关论文
 
Yang, Wen, Yang Yu, Robert O. Ritchie, and Marc A. Meyers. "On the Strength of Hair across Species." Matter (2019).
 
 
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