Science：刮胡刀为什么会钝？

“刮胡刀为什么会钝？”

“那是因为胡子比钢硬。”

“啥？”

“你脸皮那么厚，钢针都扎不透……但胡子却能长出来……”

上面这个段子，实际上并不全是笑话。仔细想想，特别是用手动刮胡刀的男同学（或者女同学），新买时再锋利无双的刮胡刀，用一段时间刀片就变钝了，要想避免“钝刀割肉”的痛苦，只能更换刀片。钢制刀片（有些甚至还有特制涂层提高强度或耐磨性）VS一点都不刚的胡子，居然会输？这就是传说中的以柔克刚？

某手动剃须刀刀片结构。图片来源：某东

很多人可能都没有注意到这个生活中的小细节，就算是注意到的人，也没几个想到要深究其中深层次的原因。但就有人视角比较独特，脑洞比较宽阔，想要去研究这一生活现象背后的科学。麻省理工学院（MIT）的Cemal Cem Tasan教授就是其一。他带领的课题组利用扫描电子显微镜表征了刮胡刀切断胡须的过程，还进行了计算模拟，发现刮胡刀的刀刃材质（组成在微观上是否均匀）、刀刃切割胡须时的角度（是否垂直）以及切割时刀刃与胡须的相对位置（刀刃易损坏的点是否遇到胡须边缘），对刀刃的使用寿命具有重要的影响。这三种情况的合力使得刀刃在微观上出现“豁口”。初始裂纹一旦形成，刀片就容易进一步形成豁口，随后会产生越来越多的裂纹，造成刮胡刀变钝。相关工作发表在Science 期刊上。

Cemal Cem Tasan教授。图片来源：MIT

为了研究刮胡刀逐渐变钝的机理，本文第一作者Gianluca Roscioli贡献出了自己脸上的胡须，他用市售刮胡刀刮胡子，并利用扫描电子显微镜表征了刮胡子前后的刀刃变化（图1）。结果发现，刮胡刀还没使用的时候刀刃上就有一些微小的凸凹不平，在多次刮胡子之后刀刃虽然在宏观上没有什么变化，但是利用扫描显微镜可以看到刀刃上的一些地方形成裂纹，并且逐渐变大形成豁口，这些裂纹开始时垂直于边缘扩散（图1C）。也就是说，刮胡子之后，刀刃磨损很少，也并没有像有些猜测那样被磨圆，而是被胡须“崩豁”了！

图1. 胡须结构与刀片切断胡须之后刀刃的变化。图片来源：Science

这是怎么回事？为了进一步找到原因，作者设计了小型的微机械装置来模拟刮胡子的过程（图2）。该设备包括一个可移动的平台，在其两侧各有两个夹子，一个用于固定刮胡刀，另一个用于固定胡须，然后作者利用商用刮胡刀片以不同的角度切入以模仿刮胡子的动作。通过将该设备安装在扫描电子显微镜内部，作者能够直接原位表征切割胡须的过程，并且拍摄高分辨率的图像。结果发现无论胡须的粗细如何，它们都可以对刀刃造成一定的损坏。同时，刀刃上的损坏只出现在某些区域。另外，作者发现当刀片垂直切割胡须时刀刃基本没有受损，但如果胡须可以任意弯曲时，则容易出现损坏。

图2. 实验装置与切割胡须的过程表征。图片来源：Science

随后，作者还进行了计算模拟。在切割胡须过程中，作者模拟了在改变切割角度、施加力的方向以及刀片的材质等对刀刃的影响。结果证明存在以下三点情况时，胡须就可能损坏刀刃：（1）切割时胡须与刀刃成一定的角度而非垂直（图3左侧）；（2）刀刃的微结构不均匀，即刀刃边缘不平，存在微缺口，且微缺口两边在微观上材料组成和性质不同（图3中间）；（3）当胡须切到一半时，上述微缺口正好遇到胡须边缘（图3右侧）。其中，刀刃的微结构对其影响最大。

图3. 胡须损坏刀刃的条件。图片来源：Science

简评

本文作者从生活中常见的现象出发，去找寻背后的科学原理。他们使用扫描电子显微镜表征了刮胡刀在切割胡须时的变化过程，同时还进行了计算模拟，揭示了胡须让刮胡刀变钝的机理。这一发现有助于设计使用寿命更长、体验更好的刮胡刀，以及其他生活及工业中要用到的切割刀具，比如使用组分更加均匀的材料、提高加工精度等等。这个工作对厨师们也有帮助，要想让您的菜刀保持锋利的时间长一点，可以控制下刀的角度，垂直着切菜试试。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

How hair deforms steel

Gianluca Roscioli, Seyedeh Mohadeseh Taheri-Mousavi, Cemal Cem Tasan

Science, 2020, 369, 689-694, DOI: 10.1126/science.aba9490

（本文由Sunshine供稿）