rasoi, bisturi, e i coltelli sono comunemente realizzati in acciaio inossidabile, levigato fino a un bordo affilato come un rasoio e rivestito con materiali ancora più duri come il carbonio simile al diamante. Però, i coltelli richiedono un'affilatura regolare, mentre i rasoi vengono regolarmente sostituiti dopo aver tagliato materiali molto più morbidi delle lame stesse.

Ora gli ingegneri del MIT hanno studiato da vicino il semplice atto di radersi, osservando come una lama di rasoio può essere danneggiata mentre taglia i capelli umani, un materiale che è 50 volte più morbido della lama stessa. Hanno scoperto che la rasatura dei capelli deforma una lama in un modo più complesso rispetto al semplice consumo del bordo nel tempo. Infatti, una singola ciocca di capelli può causare la scheggiatura del bordo di una lama in condizioni specifiche. Una volta che si forma una prima crepa, la lama è vulnerabile a ulteriori scheggiature. Man mano che si accumulano più crepe attorno al chip iniziale, il filo del rasoio può smussarsi rapidamente.

La struttura microscopica della lama gioca un ruolo fondamentale, la squadra ha trovato. 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 giocano un ruolo nell'iniziare le crepe.

I risultati 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 nella progettazione di lunga durata, lame più resistenti ai trucioli, i produttori potrebbero prendere in considerazione la realizzazione di coltelli con materiali più omogenei.

"Il nostro obiettivo principale era capire un problema che più o meno tutti conoscono:perché le lame diventano inutili quando interagiscono con un materiale molto più morbido, " dice C. Cem Tasan, il Thomas B. King Professore Associato di Metallurgia al MIT. "Abbiamo trovato gli ingredienti principali del fallimento, che ci ha permesso di determinare un nuovo percorso di lavorazione per realizzare lame che possano durare più a lungo."

Tasan e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienza . I suoi coautori sono Gianluca Roscioli, autore principale e studente laureato al MIT, e Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi, Postdottorato del MIT.

Un mistero sulla metallurgia

Il gruppo di Tasan nel 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.

"Siamo metallurgisti e vogliamo sapere cosa governa la deformazione dei metalli, in modo da poter produrre metalli migliori, " dice Tasan. "In questo caso, era intrigante che, se tagli qualcosa di molto morbido, come capelli umani, con qualcosa di molto difficile, come l'acciaio, il materiale duro fallirebbe."

Per identificare i meccanismi con cui le lamette da barba si guastano durante la rasatura dei capelli umani, Roscioli eseguì prima alcuni esperimenti preliminari, usando rasoi usa e getta per radersi i peli del viso. Dopo ogni rasatura, ha preso immagini del filo del rasoio con un microscopio elettronico a scansione (SEM) per monitorare come la lama si è consumata nel tempo.

Sorprendentemente, gli esperimenti hanno rivelato pochissima usura, o arrotondamento del bordo tagliente nel tempo. Anziché, notò dei frammenti che si formavano lungo alcune regioni del filo del rasoio.

"Questo ha creato un altro mistero:abbiamo visto scheggiature, ma non ho visto scheggiature ovunque, solo in determinate località, " dice Tasan. "E noi volevamo capire, in quali condizioni avviene questa scheggiatura, e quali sono gli ingredienti del fallimento?"

Una scheggia della nuova lama

Per rispondere a questa domanda, Roscioli costruì un piccolo, apparato micromeccanico per effettuare 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. Usava lame di rasoi commerciali, che ha impostato a vari angoli e profondità di taglio per imitare l'atto della rasatura.

L'apparecchio è progettato per essere inserito all'interno di un microscopio elettronico a scansione, dove Roscioli è stato in grado di scattare immagini ad alta risoluzione sia dei capelli che della lama mentre eseguiva molteplici esperimenti di taglio. Ha usato i suoi capelli, così come i capelli campionati da molti dei suoi compagni di laboratorio, nel complesso rappresenta un'ampia gamma di diametri dei capelli.

Indipendentemente dallo spessore di un capello, Roscioli osservò lo stesso meccanismo con cui i capelli danneggiavano una lama. Proprio come nei suoi primi esperimenti di rasatura, Roscioli scoprì che i capelli facevano scheggiare il filo della lama, ma solo in alcuni punti.

Quando ha analizzato le immagini SEM e i filmati ripresi durante gli esperimenti di taglio, scoprì che i trucioli non si verificavano quando i capelli venivano tagliati perpendicolarmente alla lama. Quando i capelli erano liberi di piegarsi, però, chip avevano maggiori probabilità di verificarsi. Questi frammenti si formano più comunemente nei punti in cui il bordo della lama incontra i lati delle ciocche di capelli.

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 capello. Mentre simulavano ogni rasatura dei capelli, hanno alterato determinate condizioni, come l'angolo di taglio, la direzione della forza applicata nel taglio, e, soprattutto, la composizione dell'acciaio della lama.

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

Tasan afferma che queste condizioni illustrano un meccanismo noto come intensificazione dello stress, in cui l'effetto di una sollecitazione applicata a un materiale è intensificato se la struttura del materiale presenta microcricche. Una volta che si forma una microcricca iniziale, la struttura eterogenea del materiale ha permesso a queste crepe di trasformarsi facilmente in schegge.

"Le nostre simulazioni spiegano come l'eterogeneità in un materiale può aumentare lo stress su quel materiale, in modo che possa crescere una crepa, anche se lo stress è imposto da un materiale morbido come i capelli, " dice Tasan.

I ricercatori hanno depositato un brevetto provvisorio su un processo per manipolare l'acciaio in una forma più omogenea, per rendere più duraturo, lame più resistenti ai trucioli.

"L'idea di base è quella di ridurre questa eterogeneità, mentre manteniamo l'elevata durezza, " dice Roscioli. " Abbiamo imparato a fare lame migliori, e ora vogliamo farlo".