Szőrszálhasogatás: hogyan képes elvenni a puha szőr az acélpenge élét?

Még a legjobb minőségű borotvapenge is veszít hatékonyságából a használat során, egy új kutatásban ennek a folyamatát mérte fel egészen részletesen egy, a Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) metallurgiai szakembereiből álló csoport, azzal a nem titkolt céllal, hogy a folyamat okának megértésével talán javítani lehet majd a különféle pengéken. A kutatásuk eredményét a neves Science tudományos folyóirat közölte.

A hétköznapi használatú élek, mint például a konyhai kések olyan dolgok vágásától is elveszítik élüket, mint a zöldségek vagy a sajt, ám ezeket egyszerű élezéssel újra megfelelővé tudjuk tenni. Épp ezért az él a közhiedelemben, hogy a kés vagy a borotvapenge is egészen egyszerűen eltompul a használattól.

A hajszál ötvenszer puhább a borotvák alapanyagát adó acélnál, azonban ennek ellenére is képes tönkre tenni a pengét. De vajon miként? A kutatók egészen közelről tanulmányozták a borotva élét a szőrszál elvágása közben, és ebből hamar kiderült, hogy a folyamat nem egyszerűen arról szól, hogy a vékonyra kiképzett él eltompul. Az előzetes vizsgálatban az egyik kutató a saját borotvájáról készített elektronmikroszkópos felvételt a használat után, s ebből rögvest kiderült, hogy az éle nem eltompult, hanem apró repedések keletkeztek benne, ám nem mindenütt.

A borotvapengéket martenzites rozsdamentes acélból készítik, gyakran kapnak valamilyen gyémánt-jellegű szerkezetet mutató szénbevonatot, illetve ezen kívül teflonbevonatot is, amely csökkenti a súrlódást. A pengeél kiképzése általában 17 fokos szögű, és maga az él (a penge vége) 40 nanométeres. A martenzites acél gyártása során kialakuló speciális szerkezet teszi igen keménnyé a fémet, ám egyúttal a mikroszerkezet egyenetlensége is kialakul. Hasonló, több összetevőből felépülő, egyenetlen szerkezet maga a szőrszál is, amelynek a külső része pikkelyszerűen egymást fedő, nagy keménységű anyagból áll, ezen belül igen puha, szálacskákból felépülő a következő réteg, majd a közepén üreges belső rész jön, ami a vágáshoz a mechanikai tulajdonságaival nem járul hozzá. Emellett a szőr képes elhajolni, amint a penge megérinti, ez tovább növeli a pengével való találkozása során fellépő változó körülményeket.

A tüzetes vizsgálatokhoz is a pásztázó elektonmikroszkópos (SEM) és visszaszórt elektron diffrakciós vizsgálat (EBSD) segítségét vették igénybe, és elkészítették a kísérleti terepet. Egy akkora mozgatható platformot hoztak létre, amely befért az elektronmikroszkópba, a platform egyik oldalára egy, a pengét tartó, s a másik oldalára néhány hajszálat tartó szerkezet került. A platform mozgatásával azt a mozdulatot utánozták le, amely a valós borotválkozás során is lezajlik, és arra is képesek voltak a kutatók, hogy a penge élét különböző szögekbe állítsák be. A szőrszál levágásának különböző pontjain megszakították a műveletet, és elkészítették a felvételeket a penge – szőrszál kettőséről, s ezzel feltárták, hogy a nyírás folyamatának mely pontja miként hat a pengére.

A felvételekből kiderült, hogy szinte semmit sem veszít az él az élességéből, vagyis nem eltompul, amint azt gondoltuk. Ezzel szemben kialakulnak benne mikrorepedések, és szintén mikroszkopikus mérettartományban kis sérülések keletkeznek! A folytatódó használat során ezek egyre nagyobb számban jelennek meg, és növekedni is fognak, azonban ez a folyamat már függött attól, hogy milyen szögben találkozott a penge a szőrszállal. Kis szög esetén a hibák nagyok lesznek, ha viszont szinte merőleges a penge a szőrszálra, jóval kisebb hibák keletkeznek benne, ez pedig magának a hajszálnak a heterogén felépítésével hozható összefüggésbe.

A kutatók modellezték a mikrorepedésekre ható erőket, a repedések terjedését, és kiderült, hogy azok az acél belsejének heterogenitásait használják ki, vagyis az acélban lévő adalékok egyenlőtlen eloszlását. Gyakorlatilag a különféle hatások okozta feszültség az anyagban lévő egyenetlenségekre eltérően hat, és ennek hatására keletkeznek a repedések, illetve a meglévők megnagyobbodnak. Az adalékok azonban pont az acél erősségét adó anyagokat jelentik, így kiiktatni őket nem igazán lehet.

Ahhoz, hogy tartósabb élű borotvát (vagy más pengét) készíthessünk, arra lesz szükség, hogy az acél adalékanyagai a jelenleginél homogénebb eloszlásúak legyenek, ez a feltétel persze nemcsak az acélra, hanem bármilyen más anyagból készülő pengére is igaz. Az így készített eszközök hosszabb élettartama a környezetünkre nézve is előnyös tulajdonság.

Forrás: Égen – Földön – Föld alatt