L'image montre comment les fibres de protéines dans le cortex du cheveu humain se délaminent lorsque les cheveux se cassent, suggérant des fractures de cheveux humains dans un mode de cisaillement. Crédit :Wen Yang
En dépit d'être quatre fois plus épais que les cheveux humains, les poils d'éléphant ne sont que deux fois moins résistants - ce n'est qu'une découverte de chercheurs étudiant la force des poils de nombreux mammifères différents. Leur travail, paru dans un article paru le 11 décembre dans la revue Question , montre que les cheveux fins ont tendance à être plus résistants que les cheveux épais en raison de la façon dont ils se cassent.
"Nous avons été très surpris du résultat, " dit le premier auteur Wen Yang, chercheur en nano-ingénierie à l'Université de Californie, San Diego. "Parce que, intuitivement, on pourrait penser que les cheveux épais sont plus forts. Les matériaux naturels ont subi des milliers d'années d'évolution, alors à nous, ces matériaux sont très bien développés. Nous espérons apprendre de la nature et développer des produits synthétiques aux propriétés comparables."
Des études antérieures ont montré que les cheveux humains ont une résistance comparable à celle de l'acier lorsqu'ils sont ajustés en fonction de la densité. Cela est dû à la structure hiérarchique des cheveux :les cheveux humains sont composés d'une couche externe appelée cuticule qui s'enroule autour d'un cortex interne composé de nombreuses petites fibres liées par des liaisons chimiques. Au sein de chaque fibre, il y a des fibres encore plus petites intégrées. Cette conception structurelle permet aux cheveux, qui est fait de protéines, être résistant à la déformation.
Yang et son équipe, y compris des chercheurs des groupes Meyers et Ritchie de l'Université de Californie, San Diego, et Université de Californie, Berkeley, étaient curieux de savoir si les poils d'autres animaux partageaient des caractéristiques similaires. Ils ont collecté des échantillons de cheveux de huit mammifères différents, y compris les humains, ours, sangliers, les chevaux, capybaras, javelines, girafes, et les éléphants. Ces cheveux varient en épaisseur :les cheveux humains sont aussi fins que 80 µm de diamètre, tandis que ceux des éléphants et des girafes font plus de 350 m de diamètre.
Cette image montre des poils de sanglier, qui a un diamètre de plus de 200 nm et se brise dans un mode de fracture normal. La surface de rupture est relativement propre sans délaminage évident des fibres du cortex. Crédit :Wen Yang
Les chercheurs ont attaché des mèches de cheveux individuelles à une machine qui les a progressivement séparées jusqu'à ce qu'elles se cassent. A leur grande surprise, ils ont découvert que les cheveux fins étaient capables de supporter une plus grande tension avant de se casser par rapport aux cheveux épais. Cela s'appliquait également aux poils de la même espèce. Par exemple, les cheveux fins d'un enfant étaient plus forts que les cheveux plus épais d'un adulte.
En étudiant les cheveux cassés au microscope électronique à balayage, l'équipe a découvert que bien que la plupart des cheveux partagent une structure similaire, ils se sont cassés de différentes manières. Cheveux d'un diamètre supérieur à 200 µm, comme celles des sangliers, girafes et éléphants, ont tendance à se rompre dans un mode de fracture normal, une cassure nette semblable à ce qui se passerait si une banane se cassait au milieu. Cheveux plus fins que 200 m, comme celles des humains, chevaux et ours, rupture en mode de cisaillement. La cassure est inégale, comme quand une branche d'arbre est cassée dans une tempête. La distinction dans le chemin de fissuration est due au fait que les éléments structurels des différents poils interagissent différemment.
"Le cisaillement se produit lorsque de petites fissures en zigzag se forment dans le matériau à la suite d'une contrainte, " dit Yang. " Ces fissures se propagent ensuite, et pour certains matériels biologiques, l'échantillon n'est pas complètement cassé jusqu'à ce que les petites fissures se rencontrent. Si un matériau se cisaille, cela signifie qu'il peut résister à une plus grande tension et qu'il est donc plus résistant qu'un matériau qui subit une fracture normale."
Cette image montre le cortex des cheveux de javelot, qui a une structure semblable à de la mousse et fait de cellules poreuses. Crédit :Wen Yang
"La notion d'épais étant plus faible que mince n'est pas inhabituelle, et nous avons constaté que cela se produisait lors de l'étude de matériaux fragiles comme des fils métalliques, " dit le co-auteur Robert Ritchie à l'Université de Californie, Berkeley. "C'est en fait une chose statistique, qui est une pièce plus grosse aura une plus grande possibilité d'avoir un défaut. C'est un peu surprenant de voir cela dans les cheveux car les cheveux ne sont pas une matière cassante, mais nous pensons que c'est pour la même raison."
Les chercheurs pensent que leurs découvertes pourraient aider les scientifiques à concevoir de meilleurs matériaux synthétiques. Mais Yang dit que la fabrication de matériaux bio-inspirés de son équipe en est encore à ses balbutiements. Les technologies actuelles ne sont pas encore capables de créer des matériaux aussi fins que des cheveux et dotés d'une structure hiérarchique sophistiquée.
"Il y a de nombreux défis dans les matériaux synthétiques pour lesquels nous n'avons pas de solution, de la fabrication de très petits matériaux à la façon de reproduire les liens entre chaque couche comme on le voit dans les cheveux naturels, " dit Yang. " Mais si nous pouvons créer des métaux qui ont une structure hiérarchique comme celle des cheveux, nous pourrions produire des matériaux très solides, qui pourraient être utilisées comme cordes de sauvetage et pour les constructions."
