Haren nemen hapjes uit een snijdend scheermes

Materiaalkunde Haren zijn zachter dan staal, en toch wordt een scheermes bot. Dat komt door onregelmatigheden in het metaal.

Beelden die de onderzoeksgroep met een elektronenmicroscoop nam van het afscheren van haren. Hier en daar ontstaan kleine inkepingen.
Beelden die de onderzoeksgroep met een elektronenmicroscoop nam van het afscheren van haren. Hier en daar ontstaan kleine inkepingen. Foto’s Cemal Cem Tasan

Wegwerpscheermesjes worden snel bot. Na vijf of tien keer scheren schrapen ze moeizaam over je huid en trekken ze aan je haren in plaats van dat ze scheren. Hoe kunnen haren, die veel zachter zijn dan staal, de mesjes zo snel bot maken?

Het antwoord op deze alledaagse vraag blijkt een complex samenspel van processen die plaatsvinden op de microschaal, schrijven onderzoekers van de Amerikaanse universiteit MIT deze donderdag in Science.

We hadden verwacht dat de rand van het scheermesje steeds ronder zou worden

Cemal Cem Tasan onderzoeker

„Het onderzoek begon met een van mijn promovendi die eerst zichzelf schoor en daarna het scheermesje bekeek met een geavanceerde microscoop”, vertelt Cemal Cem Tasan, onderzoeker bij MIT. „We hadden verwacht dat de scherpe, puntige rand van het scheermesje steeds ronder zou worden doordat het slijt tijdens het scheren.” Die afvlakkende slijtage zagen de onderzoekers inderdaad, maar het ging veel langzamer dan nodig om het snelle bot worden te verklaren. „We zagen ook iets anders”, vervolgt Tasan. „Er waren kleine inkepingen ontstaan in de snijrand.” Die inkepingen – alsof er minuscule hapjes uit de rand genomen zijn – blijken de oorzaak van het botte gevoel van het mesje dat aan je haren trekt.

De onderzoekers bekeken de mesjes en haren met een elektronenmicroscoop die structuren van een micrometer (0,001 millimeter) zichtbaar maakt. Ook keken ze hoe een roestvrijstalen wegwerpmesje door een vastgeplakt plukje haren snijdt.

De proefopstelling die de onderzoekers gebruikten. Foto Gianluca Roscioli, PhD student in Tasan Group at MIT

Zelfs een splinternieuw mesje ziet er onder de microscoop een beetje rafelig uit. Die haarscheurtjes zijn zwakke plekjes. Als daar druk op komt te staan kan de spanning oplopen, waardoor het scheurtje groeit en er een stukje afbreekt.

Maar die inkepingen ontstaan niet bij elke haal. Het blijkt een samenspel van drie factoren. Ten eerste de hoek waaronder het mesje de haar raakt. Als het mesoppervlak niet loodrecht op de haar staat maar onder een hoek, dan staat er meer spanning op waardoor de barstjes sneller groeien. Daarnaast speelt de positie van het microscheurtje in de snijrand ten opzichte van de haar een rol. Als het scheurtje zich ter hoogte van de zijkant van een haar bevindt, dan is de spanning en dus de kans op scheuren het grootst.

Aan deze twee factoren kan een fabrikant weinig doen. Bij de derde kan dat wel. Die heeft namelijk te maken met de complexe samenstelling van het staal. Het materiaal lijkt homogeen, maar er zitten kleine onregelmatigheden in; microscopisch kleine korreltjes die iets harder of zachter zijn dan de rest. Een haarscheurtje breekt sneller als het op het grensvlak van een onregelmatigheid zit.

De beste microstructuur

„We proberen nu een materiaal te ontwikkelen dat minstens zo hard is als het staal van de huidige scheermesjes, maar dat minder onregelmatigheden bevat”, vertelt Tasan. „Zo hopen we een duurzamer materiaal te maken dat langer meegaat.”

„Het is mooi werk en een interessant resultaat”, zegt Erik Offerman, materiaalkundige bij de TU Delft. „Het zet mij aan het denken over wat de beste microstructuur is voor bepaalde materiaaleigenschappen. De resultaten zijn breder toepasbaar dan scheermesjes en eventueel keukenmessen.”

Leo Kestens, materiaalkundige bij de TU Delft en de Universiteit Gent beaamt dat: „Het is een prachtige studie van een alledaags fenomeen dat dankzij nieuwe, geavanceerde meetapparatuur ontrafeld kan worden. Het illustreert dat zelfs gebruiksvoorwerpen die we argeloos meegraaien uit de supermarkt hightech zijn.”

Volgens Kestens en Offerman zal de ontwikkeling van langer scherpe mesjes nog even duren. „Het nieuwe materiaal moet ook op andere aspecten, zoals corrosie, even goed presteren. De metaalindustrie gaat niet over een nacht ijs.”