Вы, наверное, стояли над раковиной в ванной или в душе и задавались вопросом: как это возможно, что ваши волосы могут затупить стальное лезвие бритвы? Волосы известны своей густотой, но да ладно. Это лезвие из нержавеющей стали! Это должно быть сильнее, чем маленькая старая прядь волос, верно?
Ученые задавались тем же вопросом, и теперь у нас есть ответ, и этот ответ - неоднородность.
Победитель на волосок
Волосы действительно мягче стали. Вы могли заметить это и сами. Она примерно в 50 раз мягче, чем нержавеющая сталь, используемая в бритвенных лезвиях. И все же лезвия, которые мы используем для бритья, довольно быстро затупляются. Группа ученых из отдела материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института хотела выяснить, почему, и их результаты были опубликованы 6 августа 2020 года в журнале Science.
Исследователь Джанлука Роскиоли сбрил себе волосы на лице одноразовыми бритвами и отнес их в лабораторию для изучения с помощью сканирующего электронного микроскопа. Он обнаружил, что края металла не закруглялись и не изнашивались, как можно было бы ожидать. Скорее, они трескались и трескались.
Поэтому он создал в лаборатории механизированный аппарат для бритья для более контролируемых испытаний с использованием собственных волос и волос своих товарищей по лаборатории. Вся машина поместилась внутри электронного микроскопа. Удобно.
Отколоть старое лезвие бритвы
Роскиоли и его соавторы в ходе исследования обнаружили, что сколы на кромке лезвия были более вероятными, когда волосы могли сгибаться до того, как они были срезаны лезвием. Поэтому команда пошла еще дальше, чтобы создать компьютерное моделирование с большим количеством вариаций: разные волосы, разные углы стрижки, направление приложенной силы и материалы, используемые в лезвии.
Они обнаружили, что фишки появлялись при трех условиях:
- Когда лезвие приблизилось к волосам под углом
- Когда клинок был неоднородным по составу
- Когда волосы встретились с лезвием в слабом месте
«Наше моделирование объясняет, как неоднородность материала может увеличить напряжение в этом материале, так что трещина может расти, даже если напряжение создается мягким материалом, таким как волосы», - говорит С. Джем Тасан, исследователь. Томас Б. Кинг, адъюнкт-профессор металлургии Массачусетского технологического института и исследователь в этом исследовании.
«Гетерогенный» означает, что материал лезвия не является идеально однородным. Есть микроскопические несовершенства, которые позволяют сколам происходить при контакте с волосом. А там, где одна стружка, будет больше стружки, в результате чего лезвие будет тупым.
В настоящее время исследователи работают над более однородным или однородным материалом для более острых и долговечных лезвий.
Вот это напряжно
Когда мы говорим о прочности человеческого волоса, мы обычно имеем в виду его прочность на растяжение. Это то, насколько вы можете растянуть его, прежде чем оно сломается, и измеряется в мегапаскалях (МПа). Человеческий волос находится в районе 200 МПа, а конструкционная сталь - около 400 МПа. Однако паутина намного прочнее, при 1200 МПа. А углеродные нанотрубки являются одними из самых прочных известных материалов, их давление составляет около 62 000 МПа.