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。
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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。”
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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：从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：页一
审校/编辑：李光昭
引进来源：Cell Press
本文来自：中国数字科技馆
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