Многие насекомые и ракообразные обладают твердыми, похожими на броню экзоскелетами, которые теоретически должны утяжелять существ. Но вместо этого экзоскелеты на удивление легкие — они позволяют даже насекомым в доспехах, таким как жук, летать.
Горацио Д. из Northwestern Engineering. Эспиноза и его группа работают над пониманием основных принципов проектирования и механических свойств, в результате которых создаются конструкции с этими уникальными идеальными свойствами.
Эта работа могла бы в конечном итоге раскрыть информацию, которая могла бы направлять разработку и производство новых и улучшенных искусственных материалов, путем имитации этих проверенных временем естественных узоров, процесса, известного как биомимикрия.
Исследование, проведенное при поддержке Междисциплинарной университетской исследовательской инициативы (MURI) Управления научных исследований ВВС США, было размещено на обложке журнала Advanced Functional Materials. Докторанты Руйго Ян и Вэй Гао и аспирант Алиреза Захери, все сотрудники лаборатории Эспинозы, были соавторами статьи. Шерил Хаяши, профессор биологии Калифорнийского университета в Риверсайде, также была соавтором.
Хотя существует более миллиона видов жуков, команда сначала изучает экзоскелет Cotinis mutabilis, жука-вредителя полевых культур, обитающего на западе США. Как и все насекомые и ракообразные, его экзоскелет состоит из скрученных фанерных конструкций, известных как структуры Булиганда, которые помогают защитить от хищников. Волокна в этой структуре Булиганда представляют собой пучки хитиновых полимерных цепей, обернутых белками.
В этой цепной структуре каждое волокно имеет более высокую плотность по длине, чем по поперечной.
«Очень сложно охарактеризовать свойства таких волокон, учитывая, что они зависят от направления и имеют небольшой диаметр всего 20 нанометров», — сказал Эспиноза, Джеймс Н. и Нэнси Дж. Фарли, профессор производства и предпринимательства в инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. «Нам пришлось разработать новый метод определения характеристик, используя преимущества пространственного распределения волокон в структуре Булиганда."
Чтобы решить эту задачу, Эспиноза и его команда использовали творческий подход к определению геометрии и свойств материала волокон, из которых состоит экзоскелет.
Они разрезают структуру Булигана вдоль плоскости, в результате чего получается поверхность, состоящая из плотно упакованных поперечных сечений волокон с разной ориентацией. Затем они смогли проанализировать механику волокон.
«Насчитывая более миллиона видов, которые сильно различаются друг от друга по таксономическому родству, размеру и экологии, жук является самой большой группой насекомых», — сказал Хаяси. "Что делает это исследование захватывающим, так это то, что методы, применяемые к экзоскелету жука Cotinis mutabilis, могут быть распространены на другие виды жуков."
Сопоставляя механические свойства с геометрией экзоскелета различных видов жуков, Эспиноза и его команда планируют получить представление о естественном отборе и лучше понять взаимосвязь структура-функция-свойства.