Детский волос оказался прочнее волоса капибары

Физики изучили волосы людей, слонов, капибар и других млекопитающих и показали, что толщина волоса — не показатель его силы. Вопреки ожиданиям ученых, большой диаметр сечения оказался скорее присущ слабым волосам, что связано с механизмом разрыва. Так, человеческий волос оказался прочнее волоса капибары, а самым прочным оказался волос ребенка, пишут ученые в журнале Matter.

Интуитивно мы полагаем, что чем толще объект, тем сложнее его разорвать. В соответствии с таким представлением, логично было бы предположить, что волосы большего диаметра выдерживают большие напряжения разрыва. Так, волос слона, который в четыре раза толще волоса человека, должен быть в несколько раз прочнее.

Группа ученых во главе с Вэнь Яном (Wen Yang) из Калифорнийского университета в Сан-Диего измерила предел прочности волоса 13 различных млекопитающих (слона, медведя, жирафа, капибары и других), разорвав их, а затем изучила место разрыва каждого волоса по фотографиям, сделанным сканирующим электронным микроскопом.

Оказалось, что волосы всех исследуемых животных имеют одинаковую структуру: они состоят из наружного слоя (кутикулы), которая обволакивает внутренний стержень волоса — он состоит из множества мелких волокон. Внутри каждого волокна, в свою очередь, находится множество еще более мелких микроволокон. Такая структура позволяет волосу быть устойчивым к деформациям.

Ученые обнаружили четкую связь между диаметром волоса и его силой: чем толще волос, тем меньше предел его прочности. Более того, обрыв толстых и тонких волос происходит разными способами. Толстые волосы (диаметром более 200 микрометров) имеют тенденцию к обрыву в нормальном режиме: сечение разрыва — достаточно гладкая поверхность, похожая на разрез. Тонкие волосы (диаметром менее 200 микрометров) обрываются в режиме сдвига: их сечение разрыва похоже на след сломанной ветром ветки. Ученые считают, что это связано с различным отношением размеров дефектов, находящихся на поверхности волоса, к его диаметру. Когда это отношение мало, разрыв происходит в нормальном режиме, и наоборот.

График зависимости напряжения разрыва волоса от его среднего диаметра
Wen Yang et al. / Matter, 2019

Новые механические свойства волоса в зависимости от его диаметра, по словам авторов работы, помогут ученым в области создания прочного синтетического материала со схожей волосяной структурой.