圖中展示了當人類毛發發生斷裂時皮質層中的蛋白質纖維分層情況，表明其斷裂模式為剪切斷裂 圖片來源：Wen Yang

研究人員通過多種不同哺乳動物進行了關于毛發強度的研究，他們發現，盡管大象的毛發直徑達到人類毛發的四倍，強度卻隻有人類毛發的一半。研究表明，由于毛發的斷裂模式不同，細毛發比粗毛發更強韌。這一結果發表在《物質》（Matter）雜志上。

該論文的第一作者楊文（Wen Yang），是加州大學聖地亞哥分校（University of California, San Diego）納米工程的研究員，她表示：“我們對這個結果感到非常驚訝。從直覺出發，我們會認為粗的毛發更強韌。自然界中的物質經過了數千年的進化，已經發展到了非常成熟的狀态。我們希望向大自然學習，開發出具有類似性能的合成産品。”

之前的研究中表明，在調整密度後，人類毛發的強度可與鋼鐵媲美，這要歸功于它的分層結構：人類的毛發由一層角質層包裹着内部的皮質層組成。皮質層由化學鍵相連的衆多細小纖維組成，而每根纖維，由更加細小的纖維絲組成。這一結構特點，使由蛋白質組成的毛發具有抵抗變形的能力。

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楊和她的團隊，包括來自加州大學聖地亞哥分校和加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的邁耶斯（Meyers）團隊和裡奇（Ritchie）團隊的研究人員們，都很好奇其它動物的毛發，是否也具有相似的特征。他們收集了8種不同哺乳動物的毛發樣本，分别來自于人類、熊、野豬、馬、水豚、西貒（美洲的一種野豬）、長頸鹿和大象。這些毛發的粗細各不相同：人類毛發的直徑隻有80μm，而大象和長頸鹿毛發的直徑超過350μm。

研究人員将每根毛發綁在特定的機器上，這一機器會逐漸将毛發拉伸直至斷裂。令他們驚訝的是，與較粗的毛發相比，較細的毛發能夠承受更大的拉力。這一規律也适用于同一物種間的不同毛發。例如，來自兒童的較細的毛發比來自成人的較粗的毛發更強韌。

研究團隊通過掃描電子顯微鏡對斷裂的毛發的研究，發現大多數毛發，雖然結構相似，但斷裂模式不盡相同。當發生斷裂時，直徑大于200μm的毛發，例如野豬、長頸鹿和大象的毛發，傾向于正常的斷裂模式（脆性斷裂），類似于香蕉從中間斷開那樣裂開；而直徑小于200μm的毛發，如人類、馬和熊的毛發，則為剪切斷裂模式。剪切斷裂是不均勻的，類似于樹枝在暴風雨中被折斷一樣。不同毛發中的結構元素相互作用方式的不同，造成了不同的斷裂模式。

楊文說道：“剪切斷裂是指由于壓力作用，在材料内部形成鋸齒形的小裂縫。這些裂縫會繼續延伸，而對于一些生物材料來說，在小裂縫最終彙集成大裂縫之前，材料不會完全斷裂。如果一種材料會發生剪切斷裂，這意味着它可以承受住更大的拉力，因此會比發生正常斷裂的材料更加堅韌。”

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該論文的共同作者、加州大學伯克利分校的羅伯特·裡奇（Robert Ritchie）指出：“粗的材料比細的材料更脆弱的概念并不罕見，我們在研究金屬線材等脆性材料時就發現了這一現象。這實際上是一個概率問題，材料越大，缺陷出現的可能性就越高。雖然在毛發中發現這種規律有點令人驚訝，因為它不屬于脆性材料，但我們認為發生這一現象的原因是相同的。”

研究人員相信他們的發現可以幫助科學家們設計出更好的合成材料。但楊文也表示，現下團隊仿生材料的制造，仍處于起步階段，目前的技術還不能創造出像毛發一樣精細，擁有複雜層次結構的材料。

楊文認為：“我們在合成材料的過程中面臨着衆多挑戰，很多難題還未攻克：從如何制造極其微小的材料，到如何複制天然毛發中每層之間的連接方式。但如果我們能最終創造出像毛發那樣有層次結構的金屬，就可以得到非常堅韌的材料，将來可以用作救生繩和建築材料。”

翻譯：頁一

審校/編輯：李光昭

引進來源：Cell Press

本文來自：中國數字科技館

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