In dieser Masterarbeit werden die mechanischen Eigenschaften von menschlichem Haar in-situ durch mechanische Belastung auf der Makroebene und durch Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) auf der Nanoebene analysiert. Für die Kosmetikindustrie sind diese Eigenschaften von Relevanz, da Haare im Alltag regelmäßig mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Dies findet etwa durch Kämmen, durch Zusammenbinden der Haare zu einem Zopf oder durchs Haare Glätten statt. Solche Tätigkeiten sollen die Haare nicht beschädigen. Falls es zu Veränderungen kommt, so ist es erwünscht, dass diese reversibel sind. Es werden Zugversuche an Haarproben durchgeführt und SAXS-Streubilder aufgenommen, um die Nanostruktur in-situ zu beobachten. Drei Reflexe werden analysiert, die Informationen zum Abstand der Intermediärfilamente (IFs) geben sowie zur Dehnung dieser Filamente (meridionaler Bogen, der von in Längsrichtung zueinander versetzter Moleküle stammt) und dem Deformationsverhalten der Kutikula des Haares (Lipidring, der die Abstände von Doppellipidschichten in Lastrichtung und normal dazu beschreibt). Es zeigte sich, dass die nanoskopische Dehnung der IFs mit etwa zwei Dritteln der makroskopischen Dehnung sehr hoch ist. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die IFs nahezu die gesamte mechanische Last aufnehmen. Unter Bezugnahme auf den Abstand der IFs kann das Verhältnis von transversaler zu longitudinaler Dehnung berechnet werden (Poissonzahl auf Nanoebene ). Mit einem Wert von etwa 0,5 stimmt dies mit der makroskopischen Poissonzahl überein. Ein Wert von 0,5 wird häufig bei Elastomeren beobachtet und entspricht einem inkompressiblen Material. Da die Poissonzahl auf Nanoebene ident ist zu jener auf Makroebene, liegt der Schluss nahe, dass andere hierarchische Level wie die Makrofibrillen oder der Zellmembrankomplex keinen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Haar haben. Für die Lipide wurde nur eine geringe nanoskopische Dehnung von etwa einem Prozent beobachtet. Nachdem die Lipide hauptsächlich in den Schuppen des Haares in der Kutikula vorkommen, weist dies darauf hin, dass sich die Schuppen bei hoher Dehnung gegeneinander verschieben. Daraus resultiert weiters eine obere Grenze für die Dehnung der Lipide. Es wurde eine Regeneration der Struktur nach einer gewissen Wartezeit nach einem ersten Belastungszyklus festgestellt. Bei Wartezeiten von 10 Minuten und einer Stunde zwischen aufeinander folgenden Lastzyklen unterschieden sich die beobachteten Werte der beiden Zyklen. Betrug die Wartezeit jedoch einen Tag oder eine Woche, so wurden ähnliche Werte wie im ersten Zyklus beobachtet. Daraus kann geschlossen werden, dass die nötige Zeit für die Rückbildung der Nanostruktur zwischen einer Stunde und einem Tag liegt. Um diese Zeitspanne weiter einzugrenzen, sind weitere Untersuchungen notwendig. Des Weiteren sollten Experimente geplant werden, mit Hilfe derer die molekularen Ursachen für die beobachteten Effekte bei mechanischer Belastung geklärt werden können.

In this master thesis, mechanical properties of natural human hair are analysed in-situ via mechanical loading at the macroscale and small angle X-ray scattering (SAXS) measurements at the nanoscale. The mechanical quality of hair is important for the cosmetic industry, because mechanical stress is applied to hair on a regular basis for instance via stroking, tying the hair into a ponytail or straightening it. It is desired that such actions do not damage the hair. Ideally, for hair treatments, the structure should be conserved or changes should be reversible. We subjected strands of human hair to tensile stress and measured SAXS patterns to follow the nanostructure in-situ. Three reflections are identified, which give information on the distance of intermediate filaments (IFs), on the strain in these filaments (meridional peak from axially staggered molecules), and on the deformation behaviour of the cuticle (lipid ring describing the distance of double lipid layers in load direction and perpendicular to it). It turned out that the nanoscopic strain of the IFs is very high: It is about two third of the macroscopic strain, which leads to the conclusion that the IFs take over nearly all the mechanical load. The distance between the IFs allows to calculate the ratio transversal to longitudinal strain (Poisson's ratio at the nanoscale), which gives a number of about 0,5. This is in coincidence with the macroscopic Poisson's ratio. A value of 0,5 is often observed for elastomers and described as incompressibility of the material. As the Poisson's ratio at the nanoscale is identical to the one at the macroscopic scale, one can conclude that further hierarchical levels in the material such as macrofibril boundaries or the cell membrane complex have no significant effect on the mechanical properties. Only a small nanoscopic strain of about one per cent was observed for the lipid layers: As they are mainly located in the scales of the cuticle, this indicates that the scales shift against each other under high strain, which leads to an upper strain limit for the lipid layers. A recovery of the structure for certain waiting periods after an initial load cycle could be observed. The structure in successive load cycles with waiting periods of 10 min and 1 hour in between the cycles differs from the one in the first load cycle, but returns to its original value after a waiting period of 1 day or 1 week. The conclusion is that between 1 hour and 1 day, a relaxation of the structure takes place. Further research will more precisely determine the time range of the recovery of material properties. Additionally, experiments have to be designed, which could clarify the molecular origin of the observed relation of structure and mechanical properties.