A pesar de ser cuatro veces más grueso que el cabello humano, el pelo de elefante es solo la mitad de fuerte. Este es solo un hallazgo de varios investigadores que estudian la fuerza del cabello de muchos mamíferos diferentes. Su trabajo muestra que el cabello fino tiende a ser más fuerte que el grueso debido a la forma en que se rompe.
A pesar de ser cuatro veces más grueso que el cabello humano, el pelo de elefante es solo la mitad de fuerte. Este es solo un hallazgo de los investigadores que estudian la fuerza del cabello de muchos mamíferos diferentes. Su trabajo, que aparece en un artículo publicado el 11 de diciembre en la revista Matter, muestra que el cabello fino tiende a ser más fuerte que el grueso debido a la forma en que se rompe.
“Nos sorprendió mucho el resultado”, dice Wen Yang, investigador de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego. “¿Porque, intuitivamente, pensamos que el cabello grueso es más fuerte? Los materiales naturales han experimentado miles de años de evolución, por lo que para nosotros, estos materiales están muy bien desarrollados. Esperamos aprender de la naturaleza y desarrollar productos sintéticos con propiedades comparables”.
Estudios anteriores han encontrado que el cabello humano tiene una fuerza comparable a la del acero cuando se ajusta a la densidad. Esto se debe a la estructura jerárquica del cabello: el cabello humano está compuesto por una capa externa llamada cutícula, que envuelve una corteza interna hecha de muchas fibras pequeñas unidas por enlaces químicos. Dentro de cada fibra, hay fibras aún más pequeñas incrustadas. Este diseño estructural permite que el cabello, que está hecho de proteínas, sea resistente a la deformación.
Yang y su equipo, incluidos investigadores de los grupos Meyers y Ritchie de la Universidad de California, San Diego y la Universidad de California, Berkeley, tenían curiosidad por saber si el pelo de otros animales comparte características similares. Recolectaron muestras de cabello de ocho mamíferos diferentes, incluidos humanos, osos, jabalíes, caballos, capibaras, jirafas y elefantes. Sus pelos varían en grosor: el cabello humano es tan delgado como 50-80 µm de diámetro, mientras que el de los elefantes y jirafas tiene más de 350 µm de diámetro.
Los investigadores ataron mechones individuales de pelo a una máquina que los jaló gradualmente hasta que se rompieron. Para su sorpresa, encontraron que el cabello fino podía soportar una mayor tensión antes de romperse en comparación con el cabello grueso. Esto también se aplica a los pelos de la misma especie de animal. Por ejemplo, el cabello fino de un niño era más fuerte que el cabello más grueso de un adulto.
Al estudiar los pelos rotos con un microscopio electrónico de barrido, el equipo descubrió que, aunque la mayoría de los pelos comparten una estructura similar, se rompen de diferentes maneras. Los pelos con un diámetro superior a 200 µm, como los de jabalíes, jirafas y elefantes, tienden a romperse en un modo de fractura normal, una fractura limpia similar a lo que sucedería si un plátano se rompe por la mitad. Los pelos que son más delgados que 200 μm, como los de humanos, caballos y osos, se rompen en un modo de corte. La ruptura es desigual, como cuando la rama de un árbol se rompe en una tormenta. La diferencia en la ruta de agrietamiento se debe a que los elementos estructurales en diferentes cabellos interactúan de manera diferente.
“El cizallamiento es cuando se forman pequeñas grietas en zig-zag dentro del material, como resultado de la tensión”, según Yang. “Estas grietas luego se propagan y, para algunos materiales biológicos, la muestra no se rompe completamente hasta que las pequeñas grietas se unen en una más grande. Si un material se agrieta, significa que puede soportar una mayor tensión y, por lo tanto, es más resistente que un material que experimenta una fractura normal”.
“La noción de que lo grueso es más débil que lo delgado no es inusual, y hemos descubierto que eso sucede cuando se estudian materiales frágiles como cables metálicos”, según Robert Ritchie de la Universidad de California en Berkeley. “Esto es en realidad una cuestión estadística, si es una pieza más grande tendrá una mayor posibilidad de tener un defecto. Es un poco sorprendente ver esto en el cabello, ya que el cabello no es un material quebradizo, pero creemos que es por la misma razón”.
Los investigadores creen que sus hallazgos podrían ayudar a los científicos a diseñar mejores materiales sintéticos. Pero Yang postula que la fabricación de materiales bioinspirados de su equipo aún está en su infancia. Las tecnologías actuales aún no pueden crear materiales que sean tan finos como el cabello y tengan una estructura jerárquica sofisticada.
“Hay muchos desafíos en los materiales sintéticos para los que no hemos tenido una solución, desde cómo fabricar materiales muy pequeños hasta cómo replicar los enlaces entre cada capa como se ve en el cabello natural”, según Yang. “Pero si podemos crear metales que tengan una estructura jerárquica como la del cabello, podríamos producir materiales muy fuertes, que podrían usarse como cuerdas de rescate y para construcciones”.
Este trabajo fue apoyado por la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria para la Universidad de California Riverside, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Powell a través de la Escuela de Ingeniería Jacobs en UCSD.
