Ученые сравнили прочность волос человека и шерсти слона

Американские физики впервые сравнили прочность, упругость и другие физические характеристики волос и шерсти разных видов млекопитающих. Волосы человека оказались намного более прочными, чем шерсть слонов, несмотря на четырехкратную разницу в толщине. Исследование опубликовал научный журнал Matter.

"Мы были очень удивлены этому - с интуитивной точки зрения, чем толще волос, тем он должен быть прочнее. Природа миллионы лет совершенствовала эти материалы, и мы надеемся, что у нас получится создать синтетические аналоги самых прочных волос с сопоставимыми свойствами", - заявила Вэнь Ян, один из авторов исследования, специалист по нанотехнологиям из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США).

Последние несколько лет представители самых разных точных наук пытаются приспособить "продукты эволюции" для создания новых технологий и приборов, изучая устройство различных органов тела или секреты работы различных "суперспособностей" животных.

Иглы дикобраза и соски паразитических червей помогли американским физикам создать идеально острые медицинские иглы и очень липкий медицинский пластырь, а канадские ученые сделали стекло в 200 раз более прочным, раскрыв принципы устройства раковин моллюсков. Аналогичным образом лапы гекконов помогли нанотехнологам создать крайне липкий скотч, работающий под водой.

В этом отношении, как отмечают Вэнь Ян и его коллеги, человеческие волосы представляют не меньший интерес для физиков. С одной стороны, они обладают такой же прочностью на грамм массы, как и проволока из стали, выдерживая давление в две тысячи атмосфер. При этом, однако, волосы еще можно растянуть в полтора раза без появления разрывов или ухудшения их механических свойств.

Изобретено природой

Год назад калифонийские физики раскрыли секреты их прочности, выяснив, что волосы состоят из двух слоев наночастиц белка кератина. Они уложены в особые узоры, благодаря которым волосы начинают вести себя подобно меду или другим тягучим жидкостям. Эти вещества становятся жесткими и прочными при попытках резко растянуть их, но при этом почти не сопротивляется медленному приложению силы.

Открыв сложную структуру человеческих волос, ученые решили проверить, отличаются ли они в этом отношении от шерсти других млекопитающих, имеющей совершенно иную длину, толщину и роль в жизни этих животных. Для этого ученые провели аналогичную серию замеров и экспериментов, используя щетину, шерсть и волосы слона, медведей, лошадей, кабанов, капибар, пекари и жирафов.

Эти опыты раскрыли несколько неожиданных вещей, которые ученые не рассчитывали увидеть. К примеру, Вэнь Ян и ее коллеги обнаружили, что структура и реакция волос на механические деформации сильно различались для разных групп животных, несмотря на схожие размеры шерсти.

В частности, структура щетинок у южноафриканских млекопитающих, капибар и пекари, заметно отличалась от того, как была устроены индивидуальные волокна шерсти их далеких "кузенов" из Старого Света. Благодаря этим различиям, волосяной покров четвероногих обитателей Нового света не так сильно растягивался, но в целом был чуть прочнее, чем у остальных "участников" эксперимента.

Аналогичным образом, щетина слонов и мех жирафов, несмотря на их большую толщину их волокон, заметно уступали тонким человеческим волосам и медвежьей шерсти в прочности и эластичности. В целом, чем толще был волос, тем ниже были оба этих показателя, причем эта зависимость работает не только при сравнении разных животных, но и разных типов волос у одного и того же вида млекопитающих.

Эту аномалию, по словам физиков, можно объяснить тем, что прочность шерстинок очень сильно зависит от наличия различных дефектов в их толще, чье число быстро растет по мере увеличения диаметра волоса. Дальнейшее изучение структуры волос разных видов млекопитающих, как надеются Вэнь Ян и ее коллеги, поможет им понять, как можно скопировать этот биоматериал и использовать его для создания сверхпрочных, гибких и при этом очень легких синтетических материалов.