Scheermessen, scalpels, en messen zijn meestal gemaakt van roestvrij staal, geslepen tot een vlijmscherpe rand en gecoat met nog hardere materialen zoals diamantachtige koolstof. Echter, messen moeten regelmatig worden geslepen, terwijl scheermessen routinematig worden vervangen na het snijden van materialen die veel zachter zijn dan de mesjes zelf.

Nu hebben ingenieurs van MIT de simpele handeling van scheren van dichtbij bestudeerd, observeren hoe een scheermesje beschadigd kan raken als het mensenhaar knipt - een materiaal dat 50 keer zachter is dan het mes zelf. Ze ontdekten dat het scheren van het haar een mes vervormt op een manier die complexer is dan simpelweg de rand afslijten na verloop van tijd. In feite, een enkele haarlok kan onder bepaalde omstandigheden ervoor zorgen dat de rand van een mes afbrokkelt. Zodra zich een eerste scheur vormt, het blad is kwetsbaar voor verdere afbrokkeling. Naarmate er meer scheuren rond de initiële chip ontstaan, de rand van het scheermes kan snel dof worden.

De microscopische structuur van het blad speelt een sleutelrol, het team gevonden. Het blad is meer vatbaar voor afbrokkelen als de microstructuur van het staal niet uniform is. De hoek die het mes nadert tot een haarlok en de aanwezigheid van defecten in de microscopische structuur van het staal spelen ook een rol bij het ontstaan ​​van scheuren.

De bevindingen van het team kunnen ook aanwijzingen bieden voor het behouden van de scherpte van een mes. Bijvoorbeeld, bij het snijden van groenten, een chef-kok zou kunnen overwegen om recht naar beneden te snijden, in plaats van onder een hoek. En bij het ontwerpen van duurzamere, meer spaanbestendige bladen, fabrikanten zouden kunnen overwegen om messen te maken van meer homogene materialen.

"Ons belangrijkste doel was om een ​​probleem te begrijpen waarvan min of meer iedereen zich bewust is:waarom bladen nutteloos worden als ze in wisselwerking staan ​​met veel zachter materiaal, " zegt C. Cem Tasan, de Thomas B. King universitair hoofddocent metallurgie aan het MIT. "We vonden de belangrijkste ingrediënten van mislukking, waardoor we een nieuw verwerkingspad konden bepalen om bladen te maken die langer meegaan."

Tasan en zijn collega's hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap . Zijn co-auteurs zijn Gianluca Roscioli, hoofdauteur en MIT-afgestudeerde student, en Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi, MIT-postdoc.

Een metallurgie mysterie

Tasan's groep in het Department of Materials Science and Engineering van MIT onderzoekt de microstructuur van metalen om nieuwe materialen te ontwerpen met een uitzonderlijke weerstand tegen beschadigingen.

"Wij zijn metallurgen en willen leren wat de vervorming van metalen regelt, zodat we betere metalen kunnen maken, " zegt Tasan. "In dit geval, het was intrigerend dat als je iets heel zachts snijdt, zoals mensenhaar, met iets heel moeilijks, zoals staal, het harde materiaal zou falen."

Om de mechanismen te identificeren waardoor scheermesjes falen bij het scheren van mensenhaar, Roscioli voerde eerst enkele voorbereidende experimenten uit, wegwerpscheermessen gebruiken om zijn eigen gezichtshaar te scheren. Na elke scheerbeurt, hij nam foto's van de rand van het scheermes met een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om te volgen hoe het mes in de loop van de tijd slijt.

Verrassend genoeg, de experimenten brachten weinig slijtage aan het licht, of afronding van de scherpe rand na verloop van tijd. In plaats daarvan, hij zag dat er schilfers ontstonden langs bepaalde delen van de rand van het scheermes.

"Dit creëerde een ander mysterie:we zagen chippen, maar zag niet overal chippen, alleen op bepaalde plaatsen, " zegt Tasan. "En we wilden begrijpen, onder welke voorwaarden vindt dit chippen plaats, en wat zijn de ingrediënten van mislukking?"

Een chip van het nieuwe mes

Om deze vraag te beantwoorden, Roscioli bouwde een kleine, micromechanische apparaten om meer gecontroleerde scheerexperimenten uit te voeren. Het apparaat bestaat uit een beweegbaar platform, met twee klemmen aan weerszijden, een om een ​​scheermesje vast te houden en de andere om haarlokken te verankeren. Hij gebruikte mesjes van commerciële scheerapparaten, die hij onder verschillende hoeken en snijdieptes plaatste om het scheren na te bootsen.

Het apparaat is ontworpen om in een scanning elektronenmicroscoop te passen, waar Roscioli in staat was om hoge resolutie beelden te maken van zowel het haar als het mes terwijl hij meerdere knipexperimenten uitvoerde. Hij gebruikte zijn eigen haar, evenals haar bemonsterd van verschillende van zijn laboratoriumgenoten, over het algemeen een breed scala aan haardiameters vertegenwoordigt.

Ongeacht de dikte van een haar, Roscioli observeerde hetzelfde mechanisme waarmee haar een mes beschadigde. Net als bij zijn eerste scheerexperimenten, Roscioli ontdekte dat haar ervoor zorgde dat de snede van het mes afbrak, maar alleen op bepaalde plekken.

Toen hij de SEM-afbeeldingen en films analyseerde die tijdens de snij-experimenten waren genomen, hij ontdekte dat er geen schilfers ontstonden wanneer het haar loodrecht op het mes werd geknipt. Toen het haar vrij was om te buigen, echter, chips kwamen vaker voor. Deze schilfers werden meestal gevormd op plaatsen waar de rand van het mes de zijkanten van de haarlokken ontmoette.

Om te zien welke omstandigheden deze chips waarschijnlijk hebben gevormd, het team voerde computersimulaties uit waarin ze een stalen mes modelleerden dat door een enkel haar sneed. Terwijl ze elke scheerbeurt simuleerden, ze veranderden bepaalde voorwaarden, zoals de snijhoek, de richting van de kracht die wordt uitgeoefend bij het snijden, en vooral, de samenstelling van het staal van het lemmet.

Ze ontdekten dat de simulaties falen voorspelden onder drie omstandigheden:wanneer het mes het haar onder een hoek naderde, toen het staal van het blad heterogeen van samenstelling was, en toen de rand van een haarstreng het mes ontmoette op een zwak punt in zijn heterogene structuur.

Tasan zegt dat deze omstandigheden een mechanisme illustreren dat bekend staat als stress-intensificatie. waarin het effect van een op een materiaal uitgeoefende spanning wordt versterkt als de structuur van het materiaal microscheurtjes vertoont. Zodra zich een eerste microscheur vormt, Door de heterogene structuur van het materiaal groeiden deze scheuren gemakkelijk uit tot schilfers.

"Onze simulaties verklaren hoe heterogeniteit in een materiaal de spanning op dat materiaal kan verhogen, zodat er een scheur kan groeien, ook al wordt de stress veroorzaakt door een zacht materiaal zoals haar, ' zegt Tasan.

De onderzoekers hebben een voorlopig patent aangevraagd op een proces om staal in een meer homogene vorm te manipuleren, om langer mee te gaan, meer spaanvaste messen.

"Het basisidee is om deze heterogeniteit te verminderen, terwijl we de hoge hardheid behouden, " zegt Roscioli. "We hebben geleerd hoe we betere messen kunnen maken, en nu willen we het doen."