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Dünne Haare sind stärker

Haare
Menschliches Haar ist erstaunlich stark. (Bild: gruizza/ istock)

Ein gesundes, glänzendes Kopfhaar gilt als wichtiges Schönheitsmerkmal. Doch unser Haar kann mehr als nur gut auszusehen – es ist auch bemerkenswert stark. Forscher haben nun untersucht, ob die Haare anderer Säugetiere ähnlich reißfest sind wie unsere oder sie womöglich sogar übertrumpfen. Dabei offenbarte sich ein überraschender Zusammenhang: Anders als man intuitiv vermutet, sind dünne Haare tendenziell stärker als dickere. Elefantenhaar bricht demnach zum Beispiel deutlich schneller als das menschliche Pendant. Der Grund: Abhängig von ihrem Durchmesser brechen Haare anders.

Ein einzelnes menschliches Haar ist ziemlich dünn: Bei Europäern hat es im Schnitt einen Durchmesser von nur 0,06 bis 0,08 Millimetern. Asiatisches Haar ist mit 0,08 bis 0,12 im Vergleich etwas dicker – doch auch das erscheint noch ziemlich wenig. Trotzdem sind diese dünnen Fäden aus Keratin erstaunlich stark. So können 500 bis 1.000 unserer Haare problemlos das Gewicht eines Menschen tragen. Ihre sogenannte Reißfestigkeit liegt zwischen 200 und 260 Megapascal. Wenn man die unterschiedliche Dichte beide Materialien mitberücksichtigt, liegt die Stärke menschlicher Haare damit sogar in der Größenordnung von Stahl. Forscher sind überzeugt, dass diese Eigenschaft durch die besondere Struktur unserer Haare zustande kommt: Die Cuticula genannte Schuppenschicht bildet die äußere Hülle der Haare. Darin befindet sich der Cortex, der aus vielen Faserbündeln besteht. Diese Bündel setzen sich aus einer großen Zahl von Keratinfasern, den Fibrillen, zusammen. Dabei sind in einer Fibrille jeweils wiederum noch kleinere Fibrillen eingebettet.

Dünn schlägt dick

Dieser hierarchische Aufbau führt gemeinsam mit einer speziellen Verbindung der einzelnen Fasern dazu, dass das Haar extrem widerstandsfähig ist. Doch wie sieht das eigentlich bei anderen Tieren aus – ist ihr Haar ebenso stark, oder womöglich sogar stärker als unseres? Dieser Frage haben sich nun Wissenschaftler um Wen Yang von der University of California in San Diego gewidmet. Für ihre Studie untersuchten sie Haarproben von acht unterschiedlichen Säugetieren: Neben menschlichem Haar nahmen sie das Fell von Pferden, Bären, Wildschweinen, Elefanten und Giraffen sowie die Haare von Halsbandpekaris und Wasserschweinen unter die Lupe. Wie erwartet, unterschied sich die Dicke eines einzelnen Haars von Art zu Art erheblich. So hat zum Beispiel ein Elefantenhaar einen Durchmesser von 0,35 Millimetern – das ist rund viermal so dick wie das menschliche Pendant.

Wie es um die Reißfestigkeit dieser tierischen Haare steht, überprüfte Yangs Team mit einem speziellen Belastungstest. Dabei zog eine Maschine die Haare nach und nach auseinander, bis sie rissen. „Intuitiv würde man erwarten, dass dickere Haare stärker sind“, sagt Yang. Doch die Tests offenbarten: Das stimmt nicht. Stattdessen nimmt die Stärke mit zunehmender Dicke sogar tendenziell ab. Demnach ist etwa Elefantenhaar nur halb so stark wie die Haare auf unserem Kopf. Ein ähnlicher Zusammenhang zeigte sich auch beim Vergleich unterschiedlicher Haare ein und derselben Spezies. Wie die Forscher feststellten, hielten dünne Kinderhaare größerer Spannung stand als dickeres Haar eines erwachsenen Menschen. Zwischenartliche Unterschiede in der Haarstruktur können die beobachteten Differenzen demzufolge nicht erklären. Wie aber kommen sie dann zustande?

Ungleichmäßiger Bruch

Um diesem Rätsel auf die Spur zu kommen, untersuchten die Wissenschaftler die Haare anschließend unter dem Elektronenmikroskop. Dabei fanden sie heraus, dass sich die Haarstruktur bei vielen Säugetierarten in wesentlichen Aspekten ähnelt – wenngleich es mitunter auch spannende Unterschiede gibt. Trotz des vergleichbaren strukturellen Aufbaus scheinen Haare abhängig von ihrer Dicke jedoch auf unterschiedliche Art und Weise zu brechen. So enthüllten die Experimente: Haare, deren Durchmesser 0,2 Millimeter überschreitet, brechen in Form einer einfachen Fraktur – es entsteht ein sauberer Bruch. Dünnere Haare wie die von Menschen, Bären und Pferden verhalten sich dagegen anders. Sie brechen nicht glatt, sondern ungleichmäßig. Die Wissenschaftler vergleichen diesen Prozess mit der Art, wie zum Beispiel der Ast eines Baumes bei einem Sturm brechen kann.

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„Als Folge mechanischer Belastung entstehen dabei zickzackförmige Risse innerhalb des Materials“, erklärt Yang. „Diese Risse breiten sich aus und in manchen biologischen Materialien kommt es erst dann zum endgültigen Bruch, wenn sich die kleinen Risse treffen. Solche Materialen können größere Spannungen aushalten als Material, das eine normale Fraktur bildet.“ Das Interessante: Was auf den ersten Blick wenig intuitiv erscheint, kennen Materialforscher bereits aus einem anderen Zusammenhang. Auch bei Materialien wie Metalldrähten gilt demnach mitunter, dass dicker schwächer ist als dünner. „Das ist eine statistische Sache. Ein dickeres Stück hat eine höhere Wahrscheinlichkeit, an einer Stelle einen Defekt zu haben“, sagt Yangs Kollege Robert Ritchie. „Es ist überraschend, dies nun auch bei einem Material wie Haar zu beobachten.“

Vorbild für neue Materialien?

Die Forscher hoffen, dass ihre Einblicke in die Struktur und Widerstandskraft der Haare eines Tages bei der Konzeption synthetischer Materialien helfen werden. „Natürliche Materialien wie Haare sind im Laufe tausender Jahre der Evolution entstanden – sie sind sehr gut entwickelt. Wir wollen davon lernen und eines Tages Produkte mit ähnlichen Eigenschaften kreieren“, betont Yang. Materialien, die so aufgebaut sind wie Haare, könnten für viele unterschiedliche Anwendungen interessant sein, wie die Forscher erklären. Noch sei man jedoch weit davon entfernt, Materialien herstellen zu können, die so dünn und stark sind wie Haare und deren besondere hierarchische Struktur besitzen.

Quelle: Wen Yang (University of California, San Diego) et al., Matter, doi: 10.1016/j.matt.2019.09.019

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