Биомеханика: секущиеся кончики

Окружающий нас мир полон вещей, который на первый взгляд кажутся весьма обыденными. Однако с точки зрения науки любой процесс, явление или объект, это моток фундаментальных законов природы, разматывая который, ученые в первую очередь пытаются найти ответ на вопрос «как это работает?». Ученые из Тринити-колледжа (Дублин, Ирландия) решили разобраться в биомеханике секущихся кончиков волос, с которыми сталкивается довольно немало людей. Этот дефект структуры волоса известен нам очень давно. Для борьбы с ними косметологические компании выпускают все новые и новые «супер» средства, но до сих пор никто не смог заглянуть вглубь этого процесса и рассмотреть его детально. Так как именно развивается повреждение волоса с точки зрения биомеханики, какие методы были использованы для исследования, и что нового узнали ученые? Ответы на эти вопросы мы найдем в их докладе.

Основа исследования

Несмотря на самые современные косметические средства и технику по уходу за волосами, повреждения волос является крайне распространенным явлением, особенно «секущиеся кончики», когда кончик волоса разделяется на несколько частей. Эта проблема может быть результатом как и естественных биологических процессов, так и воздействия внешних факторов, особенно косметических процедур (окрашивание, выпрямление, сушка феном и т. д.).

Чтобы не говорили люди в белых халатах в очередной рекламе косметики, нацеленной на борьбу с секущимися волосами, однозначного ответа на вопрос о происхождении, динамике и методах борьбы с этим явлением до сих пор нет. Изучение этого вопросы осложняется особыми механическими свойствами волос, которые включают нелинейное поведение напряжения/деформации и анизотропию. Расщепление (рассечение) – это, по сути, проблема механики разрушения, включающая возникновение и последующее распространение трещины, ориентированной продольно к пряди волос. Однако на сегодняшний день исследований именно механики этой деформации крайне мало.

Авторы рассматриваемого нами сегодня труда поставили перед собой ряд задач:

• сбор и анализ уже имеющейся информации касательно механических свойств и деформаций волос, а также других материалов на основе кератина;
• изучение теорий о механизмах, лежащих в основе ломкости и расщепления волос;
• разработка экспериментов, позволяющих контролировано в лабораторных условиях воссоздавать процесс формирования расщепления волоса для количественной оценки влияния типа волос и различных средств их обработки на динамику разрушения.

Структура волос

Изображение №1

Выше представлено строение волоса, состоящего из внешнего слоя кутикулы, окружающей кору, занимающую большую часть объема. Диаметр обычно составляет 40–150 мкм; поперечное сечение варьируется от круглого до эллиптического, с коэффициентом эллипса обычно 1.0–1.4.

Кора волоса обычно на 90% состоит из кератина, большая часть которого находится в кристаллической альфа-форме, расположенной в виде волокон с удлинением, лежащих параллельно оси волоса. Между волокнами находится матриксный материал (состоящий в основном из аморфных белков и липидов). Если говорить подробно, структура сложная, включающая несколько иерархических уровней: волокна связаны вместе и окружены матрицей, в масштабах от нанометров до микрометров. Двумя важными масштабами являются: промежуточные нити (IF от intermediate filament), которые представляют собой совокупности молекул кератина, образующие микрофибриллы диаметром около 7 нм; и пучки волокон, известные как клетки, диаметром около 5 мкм, соединенные комплексом клеточных мембран (CMC от cell membrane complex), где, по-видимому, возникает большинство дефектов.

Кутикула состоит из ряда пластинок, расположенных внахлест, напоминающих черепицу на крыше. Обычно имеется 6–8 слоев общей толщиной 3–4 мкм, состоящих из кератина в β-форме, соединенных матричным материалом друг с другом и с корой. С механической точки зрения именно кора обеспечивает большую часть жесткости и прочности. Роль кутикулы в основном заключается в защите коры от физического повреждения и химической деградации.

Механические свойства волос

Изображение №2

Наиболее распространенным тестом, используемым для измерения механических свойств волос, является испытание на растяжение, при котором один волос (называемый также прядь или волокно) зажимается на каждом конце и растягивается. Выше схематически показана типичная кривая напряжения/деформации, а также экспериментальные результаты для волос человека и других животных. Начальная нагрузка демонстрирует линейное упругое поведение с некоторой кривизной при увеличении напряжения, что, вероятно, связано с вязкоупругостью. После четкого предела текучести поведение становится сильно нелинейным, характеризующимся восходящей кривой напряжение/деформация, которая продолжает сохраняться при исключительно высоких деформациях, до 50%. Это происходит из-за того, что α-кератин коры постепенно раскручивается и претерпевает фазовый переход в β-кератин с сопутствующим увеличением объема.

Результаты в литературе различаются и часто демонстрируют значительный разброс даже в пределах образцов из одного и того же источника, особенно в отношении напряжения и деформации при разрушении. Обычно модуль Юнга лежит в пределах 2–4 ГПа, предел текучести 50–200 МПа, предел прочности при разрушении 100–400 МПа и деформация разрушения 20–50%. Влажность является важным фактором: приведенные здесь значения действительны при нормальном уровне влажности окружающей среды (30–65%). Вязкоупругое поведение было продемонстрировано путем проведения испытаний на растяжение при различных скоростях деформации и с использованием других методов, таких как динамический механический анализ. Модуль упругости и прочность значительно увеличиваются с увеличением скорости нагрузки.

Помимо тестов на растяжение, в нескольких исследованиях описаны другие виды механических испытаний. Тесты на сдвиг проводились путем скручивания пряди волос. Одна группа ученых провела испытания на удар, в ходе которых одну прядь волос роняли с прикрепленным грузом так, что она ударялась о неподвижную прядь или зубец расчески. Циклические испытания проводились для изучения усталостного поведения. Они показывают, что усталость может возникать при нагрузках, значительно меньших, чем необходимая для мгновенного разрушения, однако полная картина усталостного разрушения этого материала еще не установлена.

Из анализа поврежденных волос становится ясно, что основным механизмом разрушения является растрескивание. Небольшие трещины образуются и растут в разных направлениях по пряди волос. Это говорит о том, что вязкость разрушения и распространение усталостных трещин могут быть важными параметрами, но на сегодняшний день было предпринято очень мало попыток измерить вязкость разрушения материала и нет работ по распространению усталостных трещин. Ранее ученые исследовали поверхности излома после испытаний на растяжение: они заметили относительно гладкую область, покрывающую около одной трети поперечного сечения, что, по их предположению, было медленным ростом трещины, происходящим до того, как трещина достигла критической длины для быстрого хрупкого разрушения. Таким образом, ученые оценили энергию распространения трещины G_c для поперечного роста трещины, равную 1.7 кДж/м².

Основным ограничением вышеуказанного исследования является то, что оно предоставляет информацию только из тестов, в которых волосы нагружаются в продольном направлении. Можно предположить, что волосы будут сильно анизотропными, учитывая, что они состоят в основном из ориентированных волокон, но трудно разработать тесты, в которых волосы подвергаются поперечной нагрузке, что будет иметь решающее значение для понимания расщепления.

Ученые отмечают, что при отсутствии таких данных касательно волос человека стоит взглянуть на результаты использования других натуральных материалов, состоящих из кератина. Выясняется, что степень анизотропии сильно зависит от масштаба размеров, в котором проводились измерения. Испытания промежуточных нитей в очень маленьком масштабе показали, что они имеют модуль Юнга, который в 100 раз превышает модуль окружающего матричного материала. Это подразумевает степень анизотропии жесткости около 100, поскольку в испытаниях, проводимых перпендикулярно направлению деформации волокна, будет происходить преимущественно в матрице. В несколько большем масштабе было обнаружено, что анизотропия жесткости составляет 20 для конского волоса и 10 для небольших пучков кератиновых волокон, взятых из копыт животных. Переходя к более макроскопическому масштабу, было обнаружено, что иглы дикобраза имеют анизотропию жесткости 3.4. Испытания на человеческих ногтях показали, что модуль сдвига (G) был в 10 раз ниже, чем модуль Юнга (E). Интересно, что эти различные измерения показали схожие значения продольного модуля Юнга в диапазоне 2–4 ГПа, независимо от источника образца и масштаба.

Анизотропия прочности не изучалась так глубоко, как анизотропия жесткости. Учитывая опыт разработки волокнистых композитов, можно было бы ожидать, что анизотропия прочности будет аналогична анизотропии жесткости, и некоторое подтверждение этому можно найти в исследованиях игл дикобраза. Ученые сравнили значения модуля Юнга, предела текучести и предела прочности в продольном и поперечном направлениях. Измеренная анизотропия предела текучести и предела прочности при растяжении составила 2.7 и 2.5 соответственно, что сопоставимо с анизотропией жесткости, которая составила 3.4. Более крупные структуры имеют тенденцию проявлять меньшую анизотропию: например, кератин бычьего рога имел коэффициент анизотропии 2 как по модулю Юнга, так и по прочности.

Что касается показателей вязкости разрушения, то подходящим материалом на основе кератина является человеческий ноготь. Он состоит из трех слоев, но основной слой состоит из высокоориентированного α-кератина. Именно по этой причине ногти гораздо легче трескаются в направлении, перпендикулярном оси пальца. Ученые провели измерения прочности, записывая энергию, необходимую для разрезания образцов ногтей ножницами. Они обнаружили, что энергия распространения трещины (G_c) равна 4 Дж/м² и 1 кДж/м² для направлений высокой и низкой вязкости соответственно, что дает коэффициент анизотропии 4. Прочность имеет тенденцию быть больше и менее анизотропной в структурах большего размера, такие как копыта и рога, из-за их более сложной структуры, состоящей из слоев, в которых кератиновые волокна проходят в разных направлениях.

Волокнистые материалы, как правило, слабее при сжатии, чем при растяжении, из-за склонности волокон к короблению. Например, древесина при испытании параллельно ее волокнам в 2–3 раза прочнее на растяжение, чем на сжатие. То же самое можно было бы ожидать и от волос, но это не проверялось. Единственным близким к волосам было исследование игл дикобраза, когда ученые удаляли внутренний мягкий материал и подвергали кору осевому сжатию. Они измерили модуль Юнга 2.6 ГПа, аналогичный значениям растяжения. Их образцы были нагружены до 135 МПа и в этот момент разрушились из-за коробления трубчатой конструкции. Следовательно, истинная прочность кератина на сжатие была больше этой цифры и, таким образом, по крайней мере аналогична пределу текучести кератина волос при растяжении.

Типы деформаций

Изображение №3

Многие исследователи наблюдали и описывали поврежденные и сломанные волосы с помощью сканирующей электронной микроскопии. Ранние признаки повреждения включают небольшие поверхностные трещины, которые обычно ориентированы продольно (3a) и подъем пластин кутикулы (3b). Кутикула имеет гораздо меньшую нагрузку на разрушение, чем кора, и поэтому имеет тенденцию отделяться от коры во время растягивающей нагрузки, задолго до того, как сама кора начинает разрушаться.

Изображение №4

Разрушение волос происходит в результате распространения трещин, которые могут быть поперечными, продольными или комбинированными, что приводит к различному внешнему виду образующейся поверхности излома. Классификация этих видов разрушения выглядит следующим образом:

• плоские переломы, вызванные поперечным распространением трещин, образующие плоскость излома, перпендикулярную оси волоса (4a);
• ступенчатые переломы, включающие как поперечные, так и продольные трещины (4b). Длина продольной (т.е. расщепленной) части перелома обычно составляет менее 1 мм;
• фиброзные (волокнистые) переломы, имеющие вид кисти (4c). Хотя макроскопически они поперечные, они характеризуются множественными короткими продольными изломами;
• расщепление вызвано расширенным распространением одиночной трещины в продольном направлении (4d).

Было обнаружено, что нормальные волосы разрушаются в результате плоского перелома возле корня и одного из трех других способов (ступенчатого, волокнистого или расщепленного) возле кончика. Режим плоского разрушения считается типичным для волос хорошего качества, в то время как другие режимы возникают в волосах, которые повреждены воздействием окружающей среды или механо-химической обработкой.

Теории расщепления волос

При рассмотрении биомеханики разрушения волос первая проблема заключается в выявлении источников механической нагрузки, которые способны создать достаточное напряжение, чтобы вызвать разрушение. Простой расчет может показать, что вытягивание волос при осевом натяжении вряд ли приведет к их повреждению. Необходимая сила велика (около 1 Н), настолько велика, что волосы будут выдернуты с корнем до того, как произойдет разрушение при растяжении. Расчесывание создает напряжение сдвига из-за трения, но оно будет очень небольшим для отдельного волоса, который может свободно двигаться.

Изображение №5

Куда более интересен процесс расчесывания спутанных волос. Волосы очень легко запутываются, особенно если произошло повреждение поверхности, что увеличивает трение. В спутанном состоянии один волос изгибается над другим с очень высокой кривизной, как показано на снимках выше. Это возможно из-за очень высокой нагрузки на волосы до разрушения. Эта кривизна создаст сложную картину напряжений, включая высокие растягивающие и сжимающие напряжения на поверхности, а также внутренние напряжения, включая продольный сдвиг. Если кто-то попытается расчесать спутанные волосы, они будут двигаться вместе с расческой, в результате чего высокие локальные напряжения будут передаваться по длине волос до тех пор, пока спутанные волосы не распадутся. Также может возникнуть динамическая, ударная нагрузка. Поскольку расчесывание представляет собой повторяющиеся действия, нагрузка по существу циклична, поэтому вероятно усталостное разрушение.

Приведенное выше описание представляет собой наиболее убедительное объяснение того, почему происходят переломы волос. В 1970-х годах ученые провели инновационные эксперименты, в ходе которых отдельные волосы и клубки помещались в сканирующий электронный микроскоп, что позволяло наблюдать за событиями переломов по мере их возникновения. Авторы этого труда уделяли большое внимание сдвиговому напряжению, которое возникает внутри во время изгиба и которое является основной причиной продольного распространения трещин. Вклад этих исследователей весьма значителен, однако основным недостатком является отсутствие количественной оценки. Не было предпринято никаких серьезных попыток предсказать напряжения и напряжения, которые возникнут, когда волосы соприкасаются с щеткой/гребнем или когда они спутываются друг с другом.

Подготовка к опытам

В ходе опытов использовались образцы волос, взятые у двух человек: женщина 45 лет, чьи волосы страдают от секущихся кончиков (волосы «низкого качества»), мужчина 24 лет, чьи волосы не имеют никаких структурных проблем (контрольная группа).

У обоих доноров прямые волосы: это был осознанный выбор, поскольку известно, что вьющиеся волосы имеют разные структурные особенности и разные (в некоторых случаях худшие) механические свойства, что усложняет их исследование. Пряди волос тестировали одним из четырех способов (схема ниже).

Изображение №6

Тест на растяжение прямого волоса: концы волоса прикреплялись к картонным биркам (длина образца 40 мм); образец подвергался натяжению 20 мм/мин до полного разрушения.

Тест на растяжение петли: два волоса переплетались друг с другом, после чего их концы крепились к противоположным сторонам (длина образца 40 мм); сила растяжение также составляла 20 мм/мин.

Тест движущейся петли: два волоса длиной 100 мм спутывали в петлю; к двум концам нижней пряди был прикреплен груз; концы верхней пряди были прикреплены к двум отдельным захватам, которые двигались вверх-вниз с амплитудой 20 мм.

Тест на усталость подвижной петли: это тот же тест, что и тест с движущейся петлей, за исключением того, что движение захватов повторялось вперед и назад с частотой 1 Гц.

Чтобы исследовать эффект обычного типа обработки волос, некоторые контрольные образцы были подвергнуты обесцвечиванию с использованием коммерческого продукта (L’Oréal Ultra-Lightening Excellence Pure Blonde 01), который содержит перекись водорода и гидроксид аммония. Продукт наносили на образцы в течение 45 минут, что является рекомендуемым производителем временем, а также на более короткое и более длительное время (20 и 80 минут) для сравнения. В каждом случае были приготовлены четыре образца и испытаны с использованием тестов на усталость с подвижной петлей. Оптический микроскоп использовался для измерения диаметра каждой пряди волос и определения режима повреждения. Отобранные образцы были исследованы при большем увеличении с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Результаты опытов

Изображение №7

На графиках выше показаны кривые напряжение/деформация для испытаний на растяжение волоса и петли. Напряжение определяется как сила, деленная на ненагруженную площадь поперечного сечения волоса для испытания на растяжение. Для испытаний на растяжение петли номинальное напряжение было определено как сила, деленная на удвоенную площадь поперечного сечения, причем это напряжение в образце в любой точке, удаленной от петли. Диаметр измеряли в нескольких точках вдоль каждого волоса и усредняли. Диаметр волос значительно варьировал от 57 до 104 мкм, но средний диаметр был практически одинаковым для волос низкого качества (80 мкм) и контрольных волос (83 мкм).

Таблица №1

В каждой группе было испытано не менее пяти образцов: на графиках выше показана одна типичная кривая для каждой, то есть той, предел прочности на разрыв которой был наиболее близок к среднему значению. Однако эти результаты характеризовались большим разбросом. В таблице №1 указаны предел текучести (определяемый как напряжение при деформации 5%) и предел прочности при растяжении (определяемый как максимальное достигнутое напряжение). Предел текучести не регистрируется для испытаний с петлей, поскольку некоторые образцы разрушались до достижения деформации 5%. Стандартные отклонения высоки, особенно при испытаниях на растяжение. Не было значительной разницы между контрольными и низкокачественными волосами ни по одному из параметров прочности, хотя прочность на растяжение в испытаниях с петлями приближалась к значимой, при этом волосы низкого качества были в среднем на 31% слабее.

При испытаниях на растяжение преобладающий вид разрушения был плоским (4a) с небольшими ступеньками (4b). Испытания с петлями на растяжение показали преимущественно ступенчатые изломы; в некоторых случаях ступеньки были довольно длинными (несколько сотен микрометров) и поэтому могли начинаться с разделения. По-настоящему фиброзные переломы (4c) не были обнаружены, но при внимательном рассмотрении с помощью СЭМ некоторое отделение фиброза возле перелома было обычным явлением.

Изображение №8

Выше показаны результаты испытаний с подвижной петлей, на которых показано количество циклов до отказа как функция номинального напряжения. Тесты проводились с двумя разными значениями веса: 14 и 26 грамм. Эти значения были выбраны после предварительных испытаний, которые показали, что они вызывают деформации после ряда циклов в диапазоне 1–1000. Эти гири составляют примерно 10–30 % силы, необходимой для разрушения петли при испытаниях на растяжение. В таблице №2 показано среднее количество циклов до разрушения для каждой группы.

Таблица №2

Что касается испытаний с грузом 14 г (8a), то имеется некоторый разброс числа циклов до разрушения при данном напряжении, но это вполне характерно для данных по усталости относительно хрупких материалов. Существует четкое различие между контрольными и некачественными образцами, причем контрольные образцы сохраняются в течение большего количества циклов. Аналогичная картина наблюдается и для испытаний, проведенных с грузом 26 г (8b), за исключением того, что здесь гораздо больший разброс по образцам низкого качества: несколько из них разрушаются в первом цикле и примерно половина спустя 10 циклов или меньше.

Изображение №9

Преобладающим видом разрушения при испытаниях на усталость с подвижной петлей было расщепление, но были обнаружены два различных типа расщепления, как показано выше. Волосы низкого качества обычно разрушались из-за расщепления, которое начиналось внутри волоса, ближе к центру. Эти расщепления обычно распространялись на значительное расстояние — более 5 мм, а иногда и на всю длину образца до 40 мм, прежде чем волос окончательно разваливался на две части. Сломанные половинки имели тенденцию скручиваться, и это, наряду с их уменьшенной толщиной, придавало им вид ленты (9d). Это произошло во всех тестах, проведенных с нагрузкой 14 грамм, и в большинстве тестов с нагрузкой 26 грамм.

Напротив, расщепление в контрольных волосах почти всегда начинается с поверхности волоса, иногда сначала проявляясь в виде приподнятых чешуек кутикулы и постепенно распространяющихся внутрь под небольшим углом (9e, 9f). Учитывая морфологию чешуек кутикулы, можно сделать вывод, что в большинстве случаев расщепления распространяются вверх по волосу, т. е. к корню. Это наблюдалось как для нагрузок массой 14, так и для 26 грамм. Обычно многие такие расщепления развивались длиной менее 1 мм (9g), прежде чем одно из них распространялось достаточно, чтобы вызвать разрыв.

В некоторых случаях при исследовании образца после разрушения присутствовали обе моды («расщеплением по центру» и «расщеплением по краям»), поэтому было трудно определить, какая из них преобладает. Потому были проведены дополнительные тесты, в ходе которых микроспория проводилась с определенной периодичностью в ходе теста, а не только по его завершению. Было установлено, что расщепление центра наблюдалось (и являлось причиной разрыва) почти во всех некачественных образцах (10 из 11 образцов; 9a–9c). В некоторых случаях также образовывались трещины на краях (9c), но это не приводило к разрыву. Все контрольные образцы, подвергнутые циклическому тестированию (6 из 6 образцов), не показали признаков расщепления центра.

Что касается отбеленных образцов (8c), не было значительного влияния на количество циклов до разрыва после 20-минутной обработки, но через 45 и 80 минут наблюдалось значительное снижение по сравнению с неотбеленным контролем. На графике видно, что это произошло из-за того, что некоторые (но не все) образцы разрывались за меньшее количество циклов, чем неотбеленные контрольные образцы. Что касается механизма разрушения, то наблюдалась тенденция расщепления центра в образцах, отбеливавшихся в течение более длительного времени.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые решили детально рассмотреть проблему секущихся кончиков. Для тех, кто занимается изучением организма человека, не будет новостью, что очень многие аспекты его работы нам мало известны. Это относится и к волосам, которые считаются весьма сложной структурой, обладающей рядом свойств и особенностей, которые требуют детального изучения.

Авторы исследования рассмотрели уже имеющиеся данные, собранные из трудов их предшественников, а также разработали свой собственный тест, нацеленный на отслеживание и количественную оценку повреждения волоса.

В ходе опытов были протестированы два типа волос: с секущимися кончиками и здоровые. Используя созданную учеными машину, они смогли создать секущиеся деформации у обоих типов волос, но склонные к сечению волосы расслаивались значительно быстрее, а сами дефекты (расщепления) на таких волосах были намного длиннее. Дополнительные тесты с использованием обесцвечивания показали, что абсолютно здоровые волосы после данной процедуры становились столь же подвержены расщеплению, как и волосы с уже секущимися кончиками.

Данное исследование является первым шагом к более глубокому понимаю наших волос. Результаты, полученные в ходе опытов, могут разительным образом повлиять на косметическую индустрию. Не говоря уже о том, что они могут подтолкнуть к разработке машин, способных тестировать и другие типы сложных материалов для выявления их сильных и слабых сторон с последующей возможностью их совершенствования.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?