Met een van de meer ontzagwekkende namen in het dierenrijk, de duivelse ijzeren kever is een formidabel insect. vogels, hagedissen en knaagdieren proberen er vaak een maaltijd van te maken, maar slagen daar zelden in. Rij er met een auto overheen, en het beestje leeft voort.

Het voortbestaan ​​van de kever hangt af van twee belangrijke factoren:zijn vermogen om overtuigend dood te spelen en een exoskelet dat een van de zwaarste is, de meeste breukvaste structuren waarvan bekend is dat ze in de biologische wereld bestaan. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine en andere instellingen onthullen de materiële componenten - en hun blauwdrukken op nano- en microschaal - die het organisme zo onverwoestbaar maken, terwijl ze ook laten zien hoe ingenieurs kunnen profiteren van deze ontwerpen.

"De ijzersterke is een aardse kever, dus het is niet lichtgewicht en snel, maar meer gebouwd als een kleine tank, " zei hoofdonderzoeker en corresponderende auteur David Kisailus, UCI-hoogleraar materiaalkunde en techniek. "Dat is zijn aanpassing:het kan niet wegvliegen, dus het blijft gewoon zitten en laat zijn speciaal ontworpen pantser het misbruik opnemen totdat het roofdier het opgeeft."

In zijn woestijnhabitat in het zuidwesten van de VS, de kever is te vinden onder rotsen en in bomen, geperst tussen de schors en de stam - nog een reden waarom het een duurzame buitenkant moet hebben.

Hoofdauteur Jesus Rivera, een afgestudeerde student in het laboratorium van Kisailus, hoorde voor het eerst van deze organismen in 2015 tijdens een bezoek aan het beroemde entomologiemuseum aan de UC Riverside, waar hij en Kisailus op dat moment werkten. Rivera verzamelde de kevers van locaties rond de Inland Empire-campus en bracht ze terug naar het laboratorium van Kisailus om compressietests uit te voeren, het vergelijken van de resultaten met die van andere soorten afkomstig uit Zuid-Californië. Ze ontdekten dat de duivelse, ijzersterke kever een kracht van ongeveer 39 kan weerstaan, 000 keer zijn lichaamsgewicht. Een man van 200 pond zou het verpletterende gewicht van 7,8 miljoen pond moeten doorstaan ​​om deze prestatie te evenaren.

Het uitvoeren van een reeks microscopische en spectroscopische evaluaties met hoge resolutie, Rivera en Kisailus ontdekten dat het geheim van de kever zit in de materiële samenstelling en architectuur van zijn exoskelet, specifiek, zijn elytra. Bij luchtkevers, elytra zijn de voorvleugelbladen die openen en sluiten om de vluchtvleugels te beschermen tegen bacteriën, uitdroging en andere bronnen van schade. De dekschilden van de ijzeren schilden zijn geëvolueerd tot een solide, beschermend schild.

Analyse door Kisailus en Rivera toonde aan dat de elytra bestaat uit lagen chitine, een vezelig materiaal, en een eiwitmatrix. In samenwerking met een groep onder leiding van Atsushi Arakaki en zijn afgestudeerde student Satoshi Murata, beide van de Tokyo University of Agriculture and Technology, ze onderzochten de chemische samenstelling van het exoskelet van een lichtere vliegende kever en vergeleken die met die van hun aardgebonden onderwerp. De buitenste laag van de duivelse ijzeren kever heeft een aanzienlijk hogere eiwitconcentratie - ongeveer 10 procent meer in gewicht - waarvan de onderzoekers suggereren dat dit bijdraagt ​​aan de verhoogde taaiheid van de dekschilden.

Het team onderzocht ook de geometrie van de mediale hechtdraad die de twee delen van de elytra met elkaar verbindt en ontdekte dat het erg lijkt op in elkaar grijpende stukjes van een legpuzzel. Rivera bouwde een apparaat in een elektronenmicroscoop om te observeren hoe deze verbindingen presteren onder compressie, vergelijkbaar met hoe ze in de natuur zouden kunnen reageren. De resultaten van zijn experiment onthulden dat, in plaats van te klikken op het "nek"-gebied van deze vergrendelingen, de microstructuur in de bladen van de dekschilden maakt plaats via delaminatie, of gelaagde breuk.

"Als je een puzzelstukje breekt, je verwacht dat het loskomt bij de nek, het dunste deel, ' zei Kisailus. 'Maar zo'n catastrofale splitsing zien we niet bij deze keversoort. In plaats daarvan, het delamineert, het verstrekken van een meer sierlijke mislukking van de structuur."

Verder microscopisch onderzoek door Rivera onthulde dat de buitenoppervlakken van deze bladen een reeks staafachtige elementen bevatten, microtrichia genaamd, waarvan de wetenschappers denken dat ze fungeren als wrijvingskussens, weerstand bieden tegen uitglijden.

Kisailus stuurde Rivera om te werken met Dula Parkinson en Harold Barnard bij de Advanced Light Source in het Lawrence Berkeley National Laboratory, waar ze experimenten met hoge resolutie uitvoerden om de veranderingen binnen de structuren in realtime te lokaliseren met behulp van extreem krachtige röntgenstralen.

De resultaten bevestigden dat tijdens compressie, de hechtdraad - in plaats van te breken op het dunste punt - delamineert langzaam zonder catastrofale mislukking. Ze valideerden ook dat de geometrie, de materiële componenten en hun montage zijn van cruciaal belang om het exoskelet van de kever zo sterk en robuust te maken.

Om hun experimentele waarnemingen verder te onderbouwen, Rivera en co-auteurs Maryam Hosseini en David Restrepo - beiden van het laboratorium van Pablo Zavattieri aan de Purdue University - gebruikten 3D-printtechnieken om hun eigen structuren met hetzelfde ontwerp te maken. Ze voerden tests uit waaruit bleek dat de opstelling de maximale hoeveelheid sterkte en duurzaamheid biedt. De modellen van het Purdue-team toonden aan dat niet alleen de geometrie een sterkere vergrendeling mogelijk maakt, maar de laminering biedt een betrouwbaardere interface.

Kisailus zei dat hij een grote belofte ziet in het exoskelet van de ijzersterke kever en andere biologische systemen voor nieuwe stoffen die de mensheid ten goede komen. Zijn lab heeft geavanceerde, vezelversterkte composietmaterialen op basis van deze eigenschappen, en hij voorziet de ontwikkeling van nieuwe manieren om vliegtuigsegmenten samen te smelten zonder het gebruik van traditionele klinknagels en bevestigingsmiddelen, die elk een spanningspunt in de structuur vertegenwoordigen.

Zijn team, inclusief UC Riverside undergraduate Drago Vasile, deed de elliptische trainer na, in elkaar grijpende stukken van het exoskelet van de duivelse ijzeren kever met met koolstofvezel versterkte kunststoffen. Ze voegden hun biomimetische composiet toe aan een aluminium koppeling en voerden mechanische tests uit om te bepalen of er voordelen waren ten opzichte van standaard lucht- en ruimtevaartbevestigingen bij het binden van ongelijksoortige materialen. Zowaar, de wetenschappers ontdekten dat de op kever geïnspireerde structuur zowel sterker als taaier was dan de huidige technische bevestigingsmiddelen.

"Deze studie slaat echt een brug tussen biologie, natuurkunde, mechanica en materiaalkunde in de richting van technische toepassingen, die je normaal gesproken niet ziet in onderzoek, ' zei Kisailus. 'Gelukkig, dit programma, die wordt gesponsord door de luchtmacht, stelt ons echt in staat om deze multidisciplinaire teams te vormen die hebben geholpen de punten met elkaar te verbinden om tot deze belangrijke ontdekking te leiden."