文章图片
文章图片
【你相信吗？细毛发比粗毛发更强韧】
图中展示了当人类毛发发生断裂时皮质层中的蛋白质纤维分层情况 ， 表明其断裂模式为剪切断裂 图片来源：Wen Yang
研究人员通过多种不同哺乳动物进行了关于毛发强度的研究 ， 他们发现 ， 尽管大象的毛发直径达到人类毛发的四倍 ， 强度却只有人类毛发的一半 。 研究表明 ， 由于毛发的断裂模式不同 ， 细毛发比粗毛发更强韧 。 这一结果发表在《物质》（Matter）杂志上 。
该论文的第一作者杨文（Wen Yang） ， 是加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）纳米工程的研究员 ， 她表示：“我们对这个结果感到非常惊讶 。 从直觉出发 ， 我们会认为粗的毛发更强韧 。 自然界中的物质经过了数千年的进化 ， 已经发展到了非常成熟的状态 。 我们希望向大自然学习 ， 开发出具有类似性能的合成产品 。 ”
之前的研究中表明 ， 在调整密度后 ， 人类毛发的强度可与钢铁媲美 ， 这要归功于它的分层结构：人类的毛发由一层角质层包裹着内部的皮质层组成 。 皮质层由化学键相连的众多细小纤维组成 ， 而每根纤维 ， 由更加细小的纤维丝组成 。 这一结构特点 ， 使由蛋白质组成的毛发具有抵抗变形的能力 。
图片来源：Pixabay
杨和她的团队 ， 包括来自加州大学圣地亚哥分校和加州大学伯克利分校（University of California Berkeley）的迈耶斯（Meyers）团队和里奇（Ritchie）团队的研究人员们 ， 都很好奇其它动物的毛发 ， 是否也具有相似的特征 。 他们收集了8种不同哺乳动物的毛发样本 ， 分别来自于人类、熊、野猪、马、水豚、西貒（美洲的一种野猪）、长颈鹿和大象 。 这些毛发的粗细各不相同：人类毛发的直径只有80μm ， 而大象和长颈鹿毛发的直径超过350μm 。
研究人员将每根毛发绑在特定的机器上 ， 这一机器会逐渐将毛发拉伸直至断裂 。 令他们惊讶的是 ， 与较粗的毛发相比 ， 较细的毛发能够承受更大的拉力 。 这一规律也适用于同一物种间的不同毛发 。 例如 ， 来自儿童的较细的毛发比来自成人的较粗的毛发更强韧 。
研究团队通过扫描电子显微镜对断裂的毛发的研究 ， 发现大多数毛发 ， 虽然结构相似 ， 但断裂模式不尽相同 。 当发生断裂时 ， 直径大于200μm的毛发 ， 例如野猪、长颈鹿和大象的毛发 ， 倾向于正常的断裂模式（脆性断裂） ， 类似于香蕉从中间断开那样裂开；而直径小于200μm的毛发 ， 如人类、马和熊的毛发 ， 则为剪切断裂模式 。 剪切断裂是不均匀的 ， 类似于树枝在暴风雨中被折断一样 。 不同毛发中的结构元素相互作用方式的不同 ， 造成了不同的断裂模式 。
杨文说道：“剪切断裂是指由于压力作用 ， 在材料内部形成锯齿形的小裂缝 。 这些裂缝会继续延伸 ， 而对于一些生物材料来说 ， 在小裂缝最终汇集成大裂缝之前 ， 材料不会完全断裂 。 如果一种材料会发生剪切断裂 ， 这意味着它可以承受住更大的拉力 ， 因此会比发生正常断裂的材料更加坚韧 。 ”
图片来源：Pixabay
该论文的共同作者、加州大学伯克利分校的罗伯特·里奇（Robert Ritchie）指出：“粗的材料比细的材料更脆弱的概念并不罕见 ， 我们在研究金属线材等脆性材料时就发现了这一现象 。 这实际上是一个概率问题 ， 材料越大 ， 缺陷出现的可能性就越高 。 虽然在毛发中发现这种规律有点令人惊讶 ， 因为它不属于脆性材料 ， 但我们认为发生这一现象的原因是相同的 。 ”
研究人员相信他们的发现可以帮助科学家们设计出更好的合成材料 。 但杨文也表示 ， 现下团队仿生材料的制造 ， 仍处于起步阶段 ， 目前的技术还不能创造出像毛发一样精细 ， 拥有复杂层次结构的材料 。
杨文认为：“我们在合成材料的过程中面临着众多挑战 ， 很多难题还未攻克：如何制造极其微小的材料 ， 到如何复制天然毛发中每层之间的连接方式 。 但如果我们能最终创造出像毛发那样有层次结构的金属 ， 就可以得到非常坚韧的材料 ， 将来可以用作救生绳和建筑材料 。 ”
翻译：一
推荐阅读
- 为什么越来越多人，不相信量子力学呢？
- 太阳系或许不会被“降维打击”，但实际情况可能比这更糟
- 英国“毒王”：排泄物要收集起来，死后尸体装进半米厚的铅棺深埋
- 对称揭示了全息宇宙的线索
- 亮度是月球8倍！原定2020年升空的人造月亮，怎么没消息了？
- 年轻人想做好科研，最好不要太聪明
- 量子力学中最神奇的实验，双缝实验为什么让科学家感到不安？
- 数理双绝，引领物理学百年发展，艾米·诺特究竟有多牛？
- 网友发现基因变异猩猩，手指已进化成和我们一样，引科学家热议
- 爱因斯坦的理论得到证实，“灵魂”被拍到，神秘而又玄乎的量子！