Ondanks dat het vier keer dikker is dan mensenhaar, olifantenhaar is maar half zo sterk - dat is slechts één bevinding van onderzoekers die de haarsterkte van veel verschillende zoogdieren bestuderen. Hun werk, verschijnen in een krant die op 11 december in het tijdschrift wordt gepubliceerd Materie , laat zien dat dun haar de neiging heeft sterker te zijn dan dik haar vanwege de manier waarop het breekt.

"We waren erg verrast door het resultaat, " zegt eerste auteur Wen Yang, een nanoengineering-onderzoeker aan de Universiteit van Californië, San Diego. "Omdat, intuïtief, we zouden denken dat dik haar sterker is. Natuurlijke materialen hebben duizenden jaren evolutie ondergaan, dus voor ons, deze materialen zijn zeer goed ontwikkeld. We hopen te leren van de natuur en synthetische producten te ontwikkelen met vergelijkbare eigenschappen."

Eerdere studies hebben aangetoond dat mensenhaar een sterkte heeft die vergelijkbaar is met die van staal wanneer gecorrigeerd voor dichtheid. Dit komt door de hiërarchische structuur van het haar:mensenhaar is samengesteld uit een buitenste laag die de cuticula wordt genoemd en die zich om een ​​binnenste cortex wikkelt die is gemaakt van vele kleine vezels die met elkaar zijn verbonden door chemische bindingen. Binnen elke vezel, er zijn nog kleinere vezels ingebed. Dit structurele ontwerp zorgt ervoor dat haar, die is gemaakt van eiwitten, bestand zijn tegen vervorming.

Yang en haar team, waaronder onderzoekers van de Meyers en Ritchie-groepen aan de Universiteit van Californië, San Diego, en Universiteit van Californië, Berkeley, waren benieuwd of haar van andere dieren soortgelijke kenmerken vertoont. Ze verzamelden haarmonsters van acht verschillende zoogdieren, inclusief mensen, beren, beren, paarden, capibara's, speerwerpen, giraffen, en olifanten. Deze haren variëren in dikte:mensenhaar is zo dun als 80 m in diameter, terwijl die van olifanten en giraffen meer dan 350 m in diameter zijn.

De onderzoekers bonden individuele haarlokken vast aan een machine die ze geleidelijk uit elkaar trok totdat ze braken. Tot hun verbazing, ze ontdekten dat dun haar meer spanning kon verdragen voordat het brak in vergelijking met dik haar. Dit gold ook voor haren van dezelfde soort. Bijvoorbeeld, dun haar van een kind was sterker dan dikker haar van een volwassene.

Door de gebroken haren te bestuderen met een scanning elektronenmicroscoop, het team ontdekte dat hoewel de meeste haren een vergelijkbare structuur hebben, ze braken op verschillende manieren. Haren met een diameter groter dan 200 m, zoals die van beren, giraffen en olifanten, hebben de neiging om te breken in een normale breukmodus, een schone breuk vergelijkbaar met wat er zou gebeuren als een banaan in het midden breekt. Haren die dunner zijn dan 200 m, zoals die van mensen, paarden en beren, breken in een afschuifmodus. De pauze is ongelijk, zoals wanneer een boomtak knapt in een storm. Het onderscheid in het scheurpad is omdat de structurele elementen in verschillende haren verschillend op elkaar inwerken.

"Afschuiven is wanneer er kleine zigzagscheurtjes in het materiaal worden gevormd als gevolg van spanning, " zegt Yang. "Deze scheuren verspreiden zich dan, en voor sommige biologische materialen, het monster is niet volledig gebroken totdat de kleine scheurtjes elkaar raken. Als een materiaal afschuift, het betekent dat het bestand is tegen grotere spanning en dus taaier is dan een materiaal dat een normale breuk ervaart."

"Het idee dat dik zwakker is dan dun is niet ongebruikelijk, en we hebben ontdekt dat dit gebeurt bij het bestuderen van brosse materialen zoals metalen draden, ", zegt co-auteur Robert Ritchie van de Universiteit van Californië, Berkeley. "Dit is eigenlijk een statistisch ding, dat een groter stuk is, heeft een grotere kans op een defect. Het is een beetje verrassend om dit in haar te zien, aangezien haar geen broos materiaal is, maar we denken dat het om dezelfde reden is."

De onderzoekers denken dat hun bevindingen wetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van betere synthetische materialen. Maar Yang zegt dat de bio-geïnspireerde materiaalproductie van haar team nog in de kinderschoenen staat. De huidige technologieën zijn nog niet in staat materialen te creëren die zo fijn zijn als haar en een uitgekiende hiërarchische structuur hebben.

"Er zijn veel uitdagingen in synthetische materialen waar we geen oplossing voor hebben, van het maken van zeer kleine materialen tot het nabootsen van de bindingen tussen elke laag zoals te zien is in natuurlijk haar, ", zegt Yang. "Maar als we metalen kunnen maken met een hiërarchische structuur zoals die van haar, we konden zeer sterke materialen produceren, die kunnen worden gebruikt als reddingskabels en voor constructies."