尽管大象的毛发比人类的毛发厚四倍，但其强度却只有后者的一半。这是研究人员在研究多种哺乳动物毛发强度时发现的一个结果。该研究的成果将于12月11日发表在《Matter》期刊上，显示出细毛发往往比粗毛发更强，原因在于它们的断裂方式。
加州大学圣地亚哥分校的纳米工程研究员Wen Yang表示：“我们对这个结果感到非常惊讶。因为直观上，我们会认为粗毛发更强。自然材料经过了数千年的进化，因此对我们来说，这些材料是非常成熟的。我们希望从自然中学习，开发出具有可比特性的合成产品。”
之前的研究发现，人类毛发在密度调整后，其强度可与钢铁相媲美。这是因为毛发具有分层结构：人类毛发由包裹在内层皮质中的外层表皮组成，内层由许多小纤维通过化学键连接而成。在每根纤维内部，还有更小的纤维嵌入其中。这种结构设计使得由蛋白质构成的毛发能够抵抗变形。
Yang及其团队，包括来自加州大学圣地亚哥分校和加州大学伯克利分校的研究人员，想知道其他动物的毛发是否具有类似特性。他们收集了来自八种不同哺乳动物的毛发样本，包括人类、熊、野猪、马、水豚、野猪、长颈鹿和大象。这些毛发的粗细各异：人类毛发直径可细至80微米，而大象和长颈鹿的毛发直径超过350微米。
研究人员将单根毛发绑在一台机器上，逐渐拉扯直到其断裂。令他们惊讶的是，细毛发在断裂前能够承受更大的张力，这一现象同样适用于同一物种的毛发。例如，儿童的细毛发比成年人的粗毛发更强。
通过使用扫描电子显微镜研究断裂的毛发，团队发现尽管大多数毛发具有相似的结构，但它们的断裂方式却不同。直径超过200微米的毛发，如野猪、长颈鹿和大象的毛发，往往以正常断裂模式断裂，类似于香蕉在中间断裂的情况。而直径小于200微米的毛发，如人类、马和熊的毛发，则以剪切模式断裂，断裂不均匀，像树枝在风暴中折断的情况。不同毛发的断裂路径差异是因为不同毛发的结构元素相互作用的方式不同。
Yang表示：“剪切是指在材料内部形成小的锯齿状裂缝，作为应力的结果。这些裂缝随后扩展，对于某些生物材料，样本在小裂缝相遇之前并没有完全断裂。如果材料发生剪切，意味着它可以承受更大的张力，因此比经历正常断裂的材料更坚韧。”
加州大学伯克利分校的共同作者Robert Ritchie表示：“粗比细弱的概念并不罕见，我们在研究脆性材料如金属丝时也发现了这种现象。这实际上是一个统计问题，较大块的材料更可能存在缺陷。看到这一现象出现在毛发上有点令人惊讶，因为毛发并不是脆性材料，但我们认为这是出于同样的原因。”
研究人员相信，他们的发现可能帮助科学家设计更好的合成材料。但Yang表示，她团队的仿生材料制造仍处于起步阶段。目前的技术尚无法制造出像毛发那样细致且具有复杂分层结构的材料。
Yang表示：“在合成材料方面，我们面临许多尚未解决的挑战，从如何制造非常微小的材料到如何复制自然毛发中每一层之间的结合。但如果我们能够创造出具有毛发那样分层结构的金属，我们可以生产出非常强的材料，这些材料可以用于救援绳索和建筑。”
这项工作得到了加州大学河滨分校的多学科大学研究计划、美国空军科学研究办公室以及通过加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院的Powell基金会的支持。