麻省理工学院朱棣文教授 信用:Unsplash/CC0公共领域 剃刀、手术刀和小刀通常由不锈钢制成，打磨成锋利的边缘，并涂有更硬的材料，如类金刚石碳
然而，刀子需要定期磨刀，而剃刀通常在切割比刀片本身软得多的材料后更换
现在，麻省理工学院的工程师们已经研究了近距离剃须的简单动作，观察剃刀刀片在切割人类毛发时会如何受损——这种材料比刀片本身软50倍
他们发现剃毛使刀片变形的方式比简单地随着时间的推移磨掉刀刃更复杂
事实上，在特定条件下，一缕头发会导致刀刃碎裂
一旦初始裂纹形成，叶片很容易进一步碎裂
随着更多的裂缝聚集在最初的芯片周围，剃刀边缘会很快变钝
研究小组发现，叶片的微观结构起着关键作用
如果钢的微观结构不均匀，叶片更容易碎裂
刀片接近一缕头发的角度以及钢的微观结构中缺陷的存在也是引发裂纹的原因之一
该小组的发现也可能为如何保持刀刃的锋利提供线索
例如，在切蔬菜时，厨师可能会考虑直切，而不是斜切
在设计更耐用、更耐碎片的刀片时，制造商可能会考虑用更同质的材料制造刀具
“我们的主要目标是理解一个或多或少每个人都意识到的问题:为什么刀片与更软的材料相互作用时会变得无用，”C说
杰姆·塔桑，托马斯·布
麻省理工学院冶金副教授金
“我们发现了失败的主要因素，这使我们能够确定一条新的加工路径来制造更耐用的刀片
" 塔桑和他的同事已经在《科学》杂志上发表了他们的研究结果
他的合著者是Gianluca Roscioli，首席作者和麻省理工学院研究生，和Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi，麻省理工学院博士后
刀片磨损低
学分:吉安路卡·罗斯科利，麻省理工学院塔桑集团 冶金之谜 麻省理工学院材料科学与工程系的塔桑团队探索金属的微观结构，以设计出具有卓越抗损伤能力的新材料
“我们是冶金学家，想知道是什么控制着金属的变形，这样我们就能制造更好的金属，”塔桑说
“在这种情况下，有趣的是，如果你用非常硬的东西，比如钢，来切割非常软的东西，比如人的头发，那么硬的材料就会失效
" 为了确定剃须时刀片失效的机理，罗斯科利首先进行了一些初步实验，用一次性剃须刀刮自己的面部毛发
每次刮完胡子后，他用扫描电子显微镜(SEM)拍摄剃刀边缘的图像，以跟踪刀片是如何随着时间的推移而磨损的
令人惊讶的是，实验显示磨损非常小，或者随着时间的推移锋利的边缘变圆
相反，他注意到剃刀边缘的某些区域形成了碎屑
“这创造了另一个谜:我们看到了碎片，但没有看到到处都是碎片，只在某些地方，”塔桑说
“我们想知道，这种碎裂是在什么条件下发生的，失败的因素是什么？” 单毛扫描电子显微镜剃须实验
学分:吉安路卡·罗斯科利，麻省理工学院塔桑集团 新刀片上的一块碎片 为了回答这个问题，罗斯科利建造了一个小型的微机械装置来进行更可控的剃须实验
该装置由一个可移动的平台组成，平台两侧各有两个夹子，一个用来夹住剃刀刀片，另一个用来固定发束
他使用商用剃须刀的刀片，将刀片设置在不同的角度和切割深度，以模仿剃须的动作
该设备被设计成安装在扫描电子显微镜内，罗斯科利在进行多次切割实验时，能够拍摄头发和刀片的高分辨率图像
他使用了自己的头发，以及从几个实验室伙伴身上采集的头发样本，总体上代表了各种不同的头发直径
多毛发扫描电镜实验
学分:吉安路卡·罗斯科利，麻省理工学院塔桑集团 不管头发的粗细，罗斯科利观察到了头发损坏刀片的相同机制
就像在他最初的剃须实验中一样，罗斯科利发现头发会导致刀刃碎裂，但只是在特定的部位
当他分析切割实验中拍摄的扫描电镜图像和电影时，他发现当头发垂直于刀片切割时，不会出现碎片
然而，当头发自由弯曲时，碎片更容易出现
这些碎屑通常形成在刀刃与发束边缘相遇的地方
为了弄清是什么条件导致了这些碎片的形成，研究小组进行了计算模拟，在模拟中，他们模拟了一把切割一根头发的钢刀
当他们模拟每一次剃毛时，他们改变了某些条件，比如切割角度，切割时施加的力的方向，最重要的是，刀片的钢的成分
他们发现，模拟预测了三种情况下的失败:当刀片以一个角度接近毛发时，当刀片的钢成分不均匀时，以及当发束的边缘在其不均匀结构的弱点处遇到刀片时
塔桑说，这些条件说明了一种被称为应力强化的机制，在这种机制中，如果材料的结构有微裂纹，施加在材料上的应力效应就会增强
一旦最初的微裂纹形成，材料的异质结构使这些裂纹很容易生长成碎片
毛发切割力测量
学分:吉安路卡·罗斯科利，麻省理工学院塔桑集团 “我们的模拟解释了材料中的不均匀性如何增加材料上的应力，从而使裂纹能够生长，即使应力是由像头发这样的软材料施加的，”塔桑说
研究人员已经申请了一项临时专利，将钢材加工成更同质的形式，以制造更耐用、更耐碎片的刀片
“基本的想法是减少这种异质性，同时保持高硬度，”罗斯基奥利说
“我们已经学会了如何制造更好的刀片，现在我们想这么做
"
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