Дьявольский броненосный жук может пережить наезд грузовика

Дьявольский броненосный жук (Phloeodes diabolicus) из Северной Америки не имеет визуального шика, как некоторые из его более блестящих кузенов. Он больше похож на небольшой кусок древесной коры, или камень.

Но нехватка красоты компенсируется долговечностью: его экзоскелет — один из самых прочных материалов в мире природы. Ученые наконец-то раскрыли его секреты — и начинают применять их к новым материалам.

Хищникам невероятно сложно атаковать этого дьявольского броненосца. Он переживает не только человеческие удары, но и наезд машины. Экзоскелет жука настолько прочен, что его сложно установить для демонстрации с помощью стальных штифтов.

Несмотря на неумение летать, навыки выживания жука невероятно высоки. Исследователи использовали набор инструментов, чтобы обнаружить физические и механические свойства, которые придают дьявольскому железному жуку невероятную силу духа. Броненосный жук — это земной жук, поэтому он не легкий и не быстрый. Он больше похож на небольшой танк.

Это его адаптация: он не может улететь, поэтому он просто остается на месте и позволяет своей специально разработанной броне выдерживать натиск серьезных хищников. Маленький жук размером чуть более сантиметра в длину ползает по юго-западным пустыням Северной Америки, прячась под камнями или под корой деревьев.

Ученые провели испытания на сжатие стальной пластины всего экзоскелета, чтобы определить прочность панциря, сравнив результаты с другими видами жуков из того же региона с аналогичными хищниками. Подобные жуки смогли выдержать среднюю пиковую нагрузку менее 68 Ньютонов. Дьявольский броненосный жук, напротив, мог выдержать максимальную силу в 149 Ньютонов, что в 39000 раз превышает его собственный вес. Только представьте себе вес 39 000 клонов, сложенных на вас.

В любом случае, следующим шагом была попытка выяснить, как маленький жук делает то, что он делает, для чего команда использовала спектроскопию, сканирующую электронную микроскопию и компьютерную томографию, чтобы внимательно изучить твердую оболочку.

Они также провели симуляции и использовали 3D-модели для проверки своих выводов. Архитектура и состав материала всего экзоскелета объясняют прочность, но ключ, как выяснили исследователи, лежал в надкрыльях.
У летающих жуков надкрылья — это жесткие передние крылья, которые защищают более нежные задние крылья с прожилками, используемые для полета. Поскольку дьявольский броненосный жук не летает, его надкрылья затвердели еще больше и сцепились вместе вдоль линии шва, выступая в роли брони.

Команда обнаружила, что этот экзоскелет состоит из хитина — волокнистого материала из глюкозы и белковой матрицы. Когда они сравнили экзоскелет дьявольского броненосного жука с экзоскелетом аналогичного жука, то обнаружили, что у броненосца было значительно больше белка — примерно на 10 процентов больше по весу.

Но линия шва, по которой срастаются надкрылья жука, в конечном итоге сыграла решающую роль в его прочности. «Шовный материал действует как мозаика», — сказал материаловед Пабло Заваттьери из Университета Пердью. «Он соединяет различные лезвия экзоскелета — кусочки пазла — в брюшной полости под надкрыльями».

Когда команда присмотрелась, как эти взаимосвязанные структуры работают под давлением, они обнаружили кое-что интересное. Вместо того, чтобы расколоться, микроструктуры внутри лопастей экзоскелета уступили место слоистому параллельному разрушению — процессу, известному как расслоение.

Это открытие может открыть путь к разработке более прочных материалов для решения инженерных задач. Например, к созданию более безопасных авиационных двигателей. Исследователи даже построили крепеж авиационного двигателя из углеродного волокна, имитирующего структуру шва дьявольского броненосного жука. В настоящее время испытания продолжаются.