Navalhas, bisturis, e as facas são comumente feitas de aço inoxidável, afiado com uma lâmina afiada e revestido com materiais ainda mais duros, como carbono semelhante a diamante. Contudo, facas requerem afiação regular, enquanto as navalhas são substituídas rotineiramente após o corte de materiais muito mais macios do que as próprias lâminas.

Agora, os engenheiros do MIT estudaram o simples ato de se barbear de perto, observando como uma lâmina de barbear pode ser danificada ao cortar cabelo humano - um material 50 vezes mais macio do que a própria lâmina. Eles descobriram que o barbear deforma a lâmina de uma forma mais complexa do que simplesmente desgastar a lâmina com o tempo. Na verdade, um único fio de cabelo pode fazer com que a ponta de uma lâmina se lasque em condições específicas. Uma vez que uma rachadura inicial se forma, a lâmina é vulnerável a mais lascas. À medida que mais rachaduras se acumulam em torno do chip inicial, o fio da navalha pode cegar rapidamente.

A estrutura microscópica da lâmina desempenha um papel fundamental, a equipe encontrou. A lâmina está mais sujeita a lascar se a microestrutura do aço não for uniforme. O ângulo de aproximação da lâmina com um fio de cabelo e a presença de defeitos na estrutura microscópica do aço também desempenham um papel no início de rachaduras.

As descobertas da equipe também podem oferecer pistas sobre como preservar a nitidez de uma lâmina. Por exemplo, em cortar vegetais, um chef pode considerar cortar diretamente, em vez de inclinado. E no design de longa duração, lâminas mais resistentes a lascas, os fabricantes podem considerar a fabricação de facas com materiais mais homogêneos.

"Nosso principal objetivo era entender um problema que mais ou menos todos estão cientes:por que as lâminas se tornam inúteis quando interagem com materiais muito mais macios, "diz C. Cem Tasan, o Thomas B. King Professor Associado de Metalurgia no MIT. "Encontramos os principais ingredientes do fracasso, o que nos permitiu determinar um novo caminho de processamento para fazer blades que podem durar mais. "

Tasan e seus colegas publicaram seus resultados na revista Ciência . Seus co-autores são Gianluca Roscioli, autor principal e aluno de pós-graduação do MIT, e Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi, Pós-doutorado do MIT.

Um mistério metalúrgico

O grupo de Tasan no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT explora a microestrutura dos metais para projetar novos materiais com excepcional resistência a danos.

“Somos metalúrgicos e queremos aprender o que rege a deformação dos metais, para que possamos fazer metais melhores, "Tasan diz." Neste caso, era intrigante que, se você cortar algo muito macio, como cabelo humano, com algo muito difícil, como aço, o material duro iria falhar. "

Para identificar os mecanismos pelos quais as lâminas de barbear falham ao raspar o cabelo humano, Roscioli primeiro realizou alguns experimentos preliminares, usando lâminas descartáveis ​​para raspar os próprios pelos faciais. Depois de cada barbear, ele tirou imagens do fio da navalha com um microscópio eletrônico de varredura (SEM) para rastrear o desgaste da lâmina com o tempo.

Surpreendentemente, os experimentos revelaram muito pouco desgaste, ou arredondando a borda afiada com o tempo. Em vez de, ele notou lascas se formando ao longo de certas regiões do fio da navalha.

"Isso criou outro mistério:vimos lascas, mas não vi lascas em todos os lugares, apenas em certos locais, "Tasan diz." E nós queríamos entender, sob quais condições esse lascamento ocorre, e quais são os ingredientes do fracasso? "

Um chip da nova lâmina

Para responder a esta pergunta, Roscioli construiu um pequeno, aparato micromecânico para realizar experimentos de barbear mais controlados. O aparelho consiste em um palco móvel, com duas braçadeiras de cada lado, um para segurar uma lâmina de barbear e o outro para ancorar fios de cabelo. Ele usou lâminas de barbeadores comerciais, que ele definiu em vários ângulos e profundidades de corte para imitar o ato de barbear.

O aparelho é projetado para caber dentro de um microscópio eletrônico de varredura, onde Roscioli foi capaz de obter imagens de alta resolução do cabelo e da lâmina enquanto realizava vários experimentos de corte. Ele usava seu próprio cabelo, bem como amostras de cabelo de vários de seus colegas de laboratório, no geral, representando uma ampla gama de diâmetros de cabelo.

Independentemente da espessura do cabelo, Roscioli observou o mesmo mecanismo pelo qual o cabelo danifica uma lâmina. Assim como em seus experimentos iniciais de barbear, Roscioli descobriu que o cabelo fazia a ponta da lâmina lascar, mas apenas em alguns pontos.

Quando ele analisou as imagens SEM e os filmes obtidos durante os experimentos de corte, ele descobriu que lascas não ocorriam quando o cabelo era cortado perpendicularmente à lâmina. Quando o cabelo estava livre para dobrar, Contudo, chips eram mais prováveis ​​de ocorrer. Essas lascas são mais comumente formadas em locais onde a borda da lâmina encontra as laterais dos fios de cabelo.

Para ver quais condições provavelmente estavam causando a formação desses chips, a equipe fez simulações computacionais nas quais modelou uma lâmina de aço cortando um único fio de cabelo. Enquanto eles simulavam cada corte de cabelo, eles alteraram certas condições, como o ângulo de corte, a direção da força aplicada no corte, e o mais importante, a composição do aço da lâmina.

Eles descobriram que as simulações previam falha em três condições:quando a lâmina se aproximava do cabelo em um ângulo, quando o aço da lâmina era heterogêneo em composição, e quando a ponta de um fio de cabelo encontra a lâmina em um ponto fraco de sua estrutura heterogênea.

Tasan diz que essas condições ilustram um mecanismo conhecido como intensificação do estresse, em que o efeito de uma tensão aplicada a um material é intensificado se a estrutura do material apresentar microfissuras. Uma vez que se forma um microcrack inicial, a estrutura heterogênea do material permitiu que essas rachaduras se transformassem facilmente em cavacos.

"Nossas simulações explicam como a heterogeneidade em um material pode aumentar a tensão nesse material, para que uma rachadura possa crescer, mesmo que o estresse seja imposto por um material macio como o cabelo, "Tasan diz.

Os pesquisadores entraram com uma patente provisória sobre um processo para manipular o aço de uma forma mais homogênea, a fim de tornar mais duradouro, lâminas mais resistentes a lascas.

“A ideia básica é reduzir essa heterogeneidade, enquanto mantemos a alta dureza, "Roscioli diz." Aprendemos como fazer lâminas melhores, e agora queremos fazê-lo. "