I peli umani sono più morbidi dell’acciaio, ma possono scalfire il rasoio

Rasoi, bisturi e coltelli sono comunemente realizzati in acciaio inossidabile, levigati a un bordo affilato come un rasoio e rivestiti con materiali ancora più duri come il carbonio simile al diamante.

Ora gli ingegneri del MIT hanno studiato il semplice atto di radersi da vicino, osservando come una lama di rasoio può essere danneggiata mentre taglia i peli umani, un materiale che è 50 volte più morbido della lama stessa.

Rasatura, i peli umani possono danneggiare i rasoi

Hanno scoperto che la rasatura dei peli deforma una lama in un modo che è più complesso del semplice logoramento del bordo nel tempo. Infatti, una singola ciocca di peli può causare la scheggiatura del bordo di una lama in condizioni specifiche. Una volta che si forma una crepa iniziale, la lama è vulnerabile a ulteriori scheggiature. Man mano che si accumulano più crepe attorno al chip iniziale, il bordo del rasoio può opacizzarsi rapidamente.

La struttura microscopica della lama gioca un ruolo chiave, ha scoperto il team. La lama è più soggetta a scheggiature se la microstruttura dell’acciaio non è uniforme. Anche l’angolo di avvicinamento della lama a una ciocca di capelli e la presenza di difetti nella struttura microscopica dell’acciaio svolgono un ruolo nell’innesco delle crepe.

Le scoperte del team possono anche offrire indizi su come preservare l’affilatura di una lama. Ad esempio, nell’affettare le verdure, uno chef potrebbe considerare di tagliare verso il basso, piuttosto che ad angolo. E nel progettare lame più durature e più resistenti ai trucioli, i produttori potrebbero prendere in considerazione la realizzazione di coltelli con materiali più omogenei.

“Il nostro obiettivo principale era comprendere un problema di cui più o meno tutti sono consapevoli: perché le lame diventano inutili quando interagiscono con materiale molto più morbido”, afferma C. Cem Tasan, Thomas B. King Associate Professor of Metallurgy al MIT. “Abbiamo trovato gli ingredienti principali del fallimento, che ci hanno permesso di determinare un nuovo percorso di lavorazione per realizzare lame che possono durare più a lungo“.

Un mistero della metallurgia

Il gruppo di Tasan del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT esplora la microstruttura dei metalli al fine di progettare nuovi materiali con un’eccezionale resistenza ai danni. Per identificare i meccanismi con cui le lame del rasoio si guastano durante la rasatura dei peli umani, Roscioli ha prima condotto alcuni esperimenti preliminari, utilizzando rasoi usa e getta per radersi i propri peli del viso.

Dopo ogni rasatura, ha acquisito immagini del bordo del rasoio con un microscopio elettronico a scansione (SEM) per monitorare l’usura della lama nel tempo. Sorprendentemente, gli esperimenti hanno rivelato un’usura minima o un arrotondamento del bordo tagliente nel tempo. Invece, ha notato la formazione di scheggiature lungo alcune regioni del bordo del rasoio.

“Questo ha creato un altro mistero: abbiamo visto scheggiature, ma non abbiamo visto scheggiature ovunque, solo in alcune posizioni”, dice Tasan. “E volevamo capire, in quali condizioni si verifica questa scheggiatura e quali sono gli ingredienti del fallimento?”

Un chip dalla nuova lama

Per rispondere a questa domanda, Roscioli ha costruito un piccolo apparato micromeccanico per eseguire esperimenti di rasatura più controllati. L’apparato è costituito da un palco mobile, con due morsetti su entrambi i lati, uno per tenere una lama di rasoio e l’altro per ancorare ciocche di capelli. Ha usato lame di rasoi commerciali, che ha impostato a varie angolazioni e profondità di taglio per imitare l’atto della rasatura.

L’apparecchio è progettato per adattarsi all’interno di un microscopio elettronico a scansione, dove Roscioli è stato in grado di acquisire immagini ad alta risoluzione sia dei capelli che della lama mentre svolgeva molteplici esperimenti di taglio. Ha usato i suoi capelli, così come i peli campionati da molti dei suoi compagni di laboratorio, rappresentando complessivamente una vasta gamma di diametri di peli.

Indipendentemente dallo spessore di un pelo, Roscioli ha osservato lo stesso meccanismo con cui i peli danneggiano una lama. Proprio come nei suoi primi esperimenti di rasatura, Roscioli ha scoperto che i peli hanno causato la scheggiatura del bordo della lama, ma solo in alcuni punti.

Quando ha analizzato le immagini SEM e i filmati ripresi durante gli esperimenti di taglio, ha scoperto che non si verificavano scheggiature quando i peli venivano tagliati perpendicolarmente alla lama. Quando quest’ultimi erano liberi di piegarsi, tuttavia, era più probabile che si formassero scheggiature. Questi trucioli si formano più comunemente nei punti in cui il bordo della lama incontra i lati delle ciocche.

Intensificazione dello stress

Per vedere quali condizioni stavano probabilmente causando la formazione di questi chip, il team ha eseguito simulazioni computazionali in cui hanno modellato una lama d’acciaio che tagliava un singolo pelo. Man mano che simulavano la rasatura, la direzione della forza applicata nel taglio e, soprattutto, la composizione dell’acciaio della lama.

Hanno scoperto che le simulazioni prevedevano un guasto in tre condizioni: quando la lama si avvicinava ai peli in un angolo, quando l’acciaio della lama era di composizione eterogenea e quando il bordo di una ciocca incontrava la lama in un punto debole della sua struttura eterogenea.

Tasan afferma che queste condizioni illustrano un meccanismo noto come intensificazione dello stress, in cui l’effetto di uno stress applicato a un materiale è intensificato se la struttura del materiale presenta microfessure. Una volta che si è formata una microcrack iniziale, la struttura eterogenea del materiale ha consentito a queste crepe di crescere facilmente in scheggiature.

I ricercatori hanno depositato un brevetto provvisorio su un processo per manipolare l’acciaio in una forma più omogenea, al fine di realizzare lame più durature e più resistenti ai trucioli. “L’idea di base è ridurre questa eterogeneità, pur mantenendo l’elevata durezza”, afferma Roscioli. “Abbiamo imparato come realizzare lame migliori e ora vogliamo farlo.”