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研究個(gè)“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(gè)人頭上的頭發(fā)，無(wú)論其長(zhǎng)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(huì)斷裂開(kāi)來(lái)。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(wèn)題有了一些回答。


在研究8種哺乳動(dòng)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(jì)出更好的合成材料，為合成聚合物材料的開(kāi)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(lèi)似層次結(jié)構(gòu)的金屬，那么我們就可以生產(chǎn)出非常堅(jiān)固的材料，可應(yīng)用于救生繩以及建材等方面?！痹撗芯康牡谝蛔髡?、加州大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員Wen Yang說(shuō)。



撰文 | 李   爽（中國(guó)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(gè)“毛”：他們觀察了8種哺乳動(dòng)物的毛發(fā) 

眾所周知，人類(lèi)的頭發(fā)有著很強(qiáng)的韌性。有報(bào)道稱(chēng)，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?yàn)轭^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(zhǎng)頸鹿、水豚和西瑞（一種豬型動(dòng)物）等8種哺乳動(dòng)物的毛發(fā)樣本為研究對(duì)象。從人體的60μm到長(zhǎng)頸鹿和大象的400μm以上，這些哺乳動(dòng)物的毛發(fā)直徑各不相同。他們通過(guò)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(shí)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(lèi)頭發(fā)的內(nèi)部成分是皮質(zhì)纖維。對(duì)頭發(fā)進(jìn)行張力測(cè)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(lèi)似于樹(shù)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(lèi)毛發(fā)在斷裂過(guò)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(zhǎng)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(dòng)物，它們的毛發(fā)結(jié)構(gòu)與其他動(dòng)物的毛發(fā)樣本完全不同。

水豚（Capybara）為嚙齒動(dòng)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(gè)類(lèi)似于凹槽的結(jié)構(gòu)——兩邊對(duì)稱(chēng)，中間有一道小溝。作者解釋說(shuō)，這種特殊的結(jié)構(gòu)便于水順著水豚的毛發(fā)滴下來(lái)，大面積暴露于風(fēng)和陽(yáng)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)分開(kāi)，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(dòng)物。當(dāng)面對(duì)掠食者時(shí)，頸部的毛發(fā)會(huì)張開(kāi)——類(lèi)似于爆炸頭，看起來(lái)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(duì)其施加拉力時(shí)，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(duì)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(cè)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(xiàn)，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(xiàn)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(duì)較高的應(yīng)力，而馬、長(zhǎng)頸鹿、大象和西瑞的應(yīng)力相對(duì)則較低。水豚的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)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(dòng)物毛發(fā)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)


因此，研究者試圖發(fā)現(xiàn)這些毛發(fā)在斷裂時(shí)的應(yīng)力與它們的直徑之間的關(guān)聯(lián)，而結(jié)果恰恰說(shuō)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)物的平均直徑分布，縱坐標(biāo)為它們各自斷裂時(shí)的應(yīng)力大小，可以看出二者呈反比趨勢(shì)

 有望為合成聚合物材料的開(kāi)發(fā)提供啟示 

筆者也對(duì)這項(xiàng)研究的第一作者 Wen Yang 進(jìn)行了采訪(fǎng)?？傮w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(kāi)發(fā)提供啟示，但還存在著一系列的挑戰(zhàn)。


《知識(shí)分子》：這一研究結(jié)論在應(yīng)用層面上可能帶來(lái)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(jiān)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(duì)我們未來(lái)生物啟發(fā)應(yīng)用的增韌機(jī)理。

《知識(shí)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(jí)、微米級(jí)、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(duì)于目前的3D打印，很難針對(duì)納米級(jí)特征和層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印，這需要開(kāi)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(shí)分子》：這一研究的應(yīng)用會(huì)對(duì)人們的日常生活帶來(lái)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(lái)創(chuàng)造可以應(yīng)用的堅(jiān)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(méi)有解決的方法。但是如果我們能夠制造出具有與毛發(fā)類(lèi)似層次結(jié)構(gòu)的金屬，那么我們就可以生產(chǎn)出非常堅(jiān)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(yú)
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