髪の毛を一本こすると、なぜ小さなバネのように丸まるのか

髪の毛を一本取り、片端をつまんで、親指の爪を毛の長さに沿って滑らせる。手を離す。先端はまっすぐなままではいない。伸縮式のペンの中にあるような、小さくてきついコイルにねじれる。お金がかからず、ほとんどいつもうまくいく、ちょっとしたパーティーの手品だ。

一見すると、これは意味が通らない。素材を長さ方向に引っ張るだけなら、横に丸まるのではなく、伸びるはずだ。まっすぐ引っ張った輪ゴムが突然らせん状に曲がったりはしない。では、髪の毛は何をしているのか。

答えは構造から始まる。髪の毛は単純な中身の詰まった棒ではない。主にケラチンからできており、このタンパク質は長いロープのような繊維に組み上がる。それらの繊維は、ケーブルのより線のように、ねじれた配置で毛幹の中に詰まっている。爪を表面に沿って滑らせるとき、あなたは均等に引っ張っているわけではない。片側を反対側よりも多くこすり、張力がかかっている側とそのままの側との間にずれが生じる。

伸ばされた側はわずかに長く、細くなる。もう一方の側はそのままにとどまる。二つの側の長さが異なるため、毛は短い側へ曲がるしかない。ちょうど、バイメタル板が一方の層の方が他方より多く膨張すると反るのと同じだ。これを長さに沿って繰り返すと、曲がりが蓄積して螺旋になる。

ここには第二の効果も働いている。ケラチン繊維には好ましいねじれの方向があり、髪の毛には圧縮されると自然にコイル状になる傾向がある。一方の端を伸ばし、残りが抵抗することで、毛幹に沿ってトルク、つまりねじる力が生じる。毛を離すと、蓄えられたエネルギーはランダムなもつれではなく、整った螺旋にほどける。

結果はあなたの髪の毛による。細くてまっすぐな髪は、きつく均等にコイル状になりやすい。太い髪や化学処理をした髪——ブリーチ、パーマ、縮毛矯正——は、内部のタンパク質構造がすでに損傷しているため、予測不能に折れ曲がったり、切れたりすることがある。湿度も関係する。湿った髪は、水分子がケラチン繊維の間に入り込んで結合を緩めるため、より弾力性がある。

髪の生体力学を研究する研究者たちは、この挙動を有用だと見ている。同じ原理が、なぜ髪が絡むのか、なぜ枝毛ができるのか、そしてなぜ毛が繊維・材料研究において小さなねじりバネのように働きうるのかを説明する。いくつかの研究室では、柔軟なセンサーやソフトロボットのモデルとして、髪に着想を得たコイルを研究したことさえある。

だから次に袖に抜け毛を見つけたら、試してみてほしい。つまんで、引っ張って、離す。取るに足らない瞬間に見えるものが、実は材料科学の小さな実演であり、身近な物体は注意深く調べれば、直感がそう振る舞うはずだと言うようにはめったに振る舞わない、ということを思い出させてくれる。