Ученые раскрыли "дьявольскую" сущность панциря жука-броненосца

МОСКВА, 21 окт — РИА Новости. Биологи выяснили, что делает панцирь жука-броненосца настолько прочным, что он остается невредимым даже попав под колеса автомобиля. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Дьявольский жук-броненосец Phloeodes diabolicus из семейства зоферид обитает на деревьях, в основном в дубовых рощах западного побережья США, и в пустынях Южной Калифорнии.

Не умея летать, это насекомое в процессе адаптации к наземному образу жизни приобрело мощнейшие надкрылья — передние крылья экзоскелета, способные противостоять огромным силам раздавливания. Не удается его проткнуть и булавкой, которой энтомологи обычно прикрепляют насекомых в витринах.

С помощью передовых методов микроскопии, спектроскопии и механических испытаний, американские биологи и инженеры вместе с японскими коллегами изучили структурные особенности и вещественный состав надкрылий жука.

У летающих насекомых надкрылья защищают крылья и раскрываются во время полета. Авторы обнаружили, что у жука-броненосца, у которого нет крыльев, сверхпрочные надкрылья соединяются по извилистой линии, похожей на замок пазлов. Геометрия и многослойная микроструктура этого соединения обеспечивают отличное механическое сцепление и повышенную жесткость экзоскелета.

© Фото : Jesus Rivera / UCI

Соединение двух надкрылий дьявольского жука-броненосца в разрезе

По словам исследователей, это соединение жесткое, но пластичное, как канцелярская скрепка. Кроме того, такая форма шва позволяет более равномерно распределять приложенную силу по всему телу.

Исследователи наблюдали с помощью электронного микроскопа, что происходит в шве при сжатии — вместо того, чтобы треснуть в месте соединения, материал надкрылий расслаивается.

"Когда вы прикладываете усилие к куску пазла, вы ожидаете, что он отломится у самой тонкой части, "шейки" соединения, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Ирвайне слова руководителя исследования Дэвида Кисайлуса, профессора материаловедения и инженерии. — Но мы не видим такого рода катастрофического раскола у этого вида жуков. Вместо этого материал надкрылий расслаивается, что приводит к более изящному разрушению структуры".

Авторы считают, что такие сверхпрочные соединения могут найти применение в строительстве и инженерных областях, например, в турбинах авиационных двигателей, лопатки которых испытывают огромные нагрузки.

Чтобы проверить потенциал подобной конструкции крепления, исследователи создали серию соединений из металлов и композитов, имитирующих структуры, наблюдаемые у жука. Оказалось, что прочность и ударная вязкость этих конструкций выше, чем у обычных инженерных соединений.

Используя сжимающие стальные пластины, исследователи выяснили, что панцирь дьявольского жука-броненосца выдерживает без разрушения усилие до 149 ньютонов, что примерно соответствует весу, в 39 тысяч раз превышающему массу его тела.

Для сравнения, шина легкового автомобиля на грунтовой дороге создает усилие около 100 ньютонов. По оценкам ученых, ни одно другое наземное насекомое не способно выдержать даже половину такой нагрузки.

"Важная инженерная задача состоит в соединении различных материалов без потери их способности выдерживать нагрузки, — говорит еще один автор статьи Дэвид Рестрепо (David Restrepo), доцент Техасского университета в Сан-Антонио. — У дьявольского жука-броненосца есть стратегия, позволяющая обойти эти ограничения".

Авторы надеются, что результаты их исследования помогут инженерам в будущих разработках.