Prawdopodobnie stałeś nad umywalką w łazience lub pod prysznicem i zastanawiałeś się: jak to możliwe, że twoje włosy mogą matowieć stalową żyletkę? Włosy są bardzo mocne jak na swoją grubość, ale chodź. To żyletka ze stali nierdzewnej! To musi być mocniejsze niż stare pasmo włosów, prawda?
Naukowcy zastanawiali się nad tym samym, a teraz mamy odpowiedź, a tą odpowiedzią jest heterogeniczność.
Zwycięzca o włos
Włosy są rzeczywiście bardziej miękkie niż stal . Być może sam to zauważyłeś. Jest około 50 razy bardziej miękka niż stal nierdzewna używana w żyletkach. A mimo to żyletki, których używamy do golenia, dość szybko stępiają się. Zespół naukowców z wydziału materiałoznawstwa i inżynierii MIT chciał dowiedzieć się, dlaczego tak się dzieje, a ich wyniki zostały opublikowane 6 sierpnia 2020 r. W czasopiśmie Science .
Badacz Gianluca Roscioli zgolił swój zarost za pomocą jednorazowych maszynek do golenia i zabrał je do laboratorium w celu zbadania za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego . Odkrył, że krawędzie metalu nie były zaokrąglone ani zużyte, jak można się spodziewać. Raczej odpryskiwały i pękały.
Dlatego w laboratorium stworzył zmechanizowany aparat do golenia do bardziej kontrolowanych testów z użyciem włosów własnych i swoich kolegów. Cała maszyna mieści się w mikroskopie elektronowym. Poręczny.
Odłupać starą żyletkę
To, co Roscioli i jego współautorzy odkryli w badaniu, to fakt, że odpryski na krawędzi ostrza były bardziej prawdopodobne, gdy włosy były w stanie zgiąć się przed przecięciem ostrzem. Zespół poszedł więc jeszcze dalej, aby stworzyć symulacje komputerowe z większą liczbą odmian: różne włosy, różne kąty cięcia, kierunek przyłożonej siły i materiały użyte w ostrzu.
Okazało się, że żetony pojawiły się pod trzema warunkami:
- Kiedy ostrze zbliżyło się do włosów pod kątem
- Kiedy ostrze było niejednorodne w składzie
- Kiedy włosy napotkały ostrze w słabym punkcie
„Nasze symulacje wyjaśniają, w jaki sposób niejednorodność materiału może zwiększać naprężenia w tym materiale, tak że pęknięcie może rosnąć, nawet jeśli naprężenie jest narzucane przez miękki materiał, taki jak włosy” - mówi C. Cem Tasan, współpracownik Thomasa B. Kinga profesor metalurgii na MIT i pracownik naukowy.
„Heterogeniczny” oznacza, że materiał ostrza nie jest idealnie jednorodny. Istnieją mikroskopijne niedoskonałości, które pozwalają na odpryskiwanie włosów w kontakcie z włosami. A tam, gdzie jest jeden chip, będzie więcej wiórów, co spowoduje tępe ostrze.
Naukowcy pracują teraz nad bardziej jednorodnym lub jednolitym materiałem na ostrzejsze i trwalsze ostrza.
Teraz to jest napięte
Kiedy mówimy o sile ludzkich włosów, zwykle mówimy o ich wytrzymałości na rozciąganie . Tyle można rozciągnąć, zanim pęknie, i jest to mierzone w megapaskalach (MPa). Włosy ludzkie mają około 200 MPa, a stal konstrukcyjna około 400 MPa. Pajęczyny są jednak znacznie mocniejsze, przy 1200 MPa. Nanorurki węglowe są jednymi z najsilniejszych znanych materiałów, przy około 62 000 MPa.
