Уникальные механические и оптические свойства, обнаруженные в экзоскелете скромного азиатского жука, могут предложить новое увлекательное понимание того, как разрабатывать новые, эффективные биологические технологии.
Новое новаторское исследование, проведенное группой международных ученых, в том числе профессором Питом Вукусиком из Университета Эксетера, выявило характерное и ранее неизвестное свойство панциря цветочного жука - члена семейства жуков-скарабеев.
Исследование показало, что у жука есть маленькие микростолбики внутри панциря - или в верхней части экзоскелета - которые придают насекомому силу и гибкость, чтобы очень эффективно противостоять повреждениям.
Важно отметить, что эти микростолбики включены в очень регулярные слои экзоскелета, которые одновременно придают жуку ярко-яркий металлический цвет.
В этом новом исследовании ученые использовали сложные методы моделирования, чтобы определить, какая из двух функций - очень высокая механическая прочность или ярко выраженный цвет - были важнее для выживания жука.
Они обнаружили, что, хотя эти микростолбики значительно повышают прочность панциря жука, они наиболее полезны для оптимизации рассеяния цветного света, который создает его бросающийся в глаза внешний вид.
Исследование опубликовано на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS.
Профессор Вукусич, один из трех руководителей исследования вместе с профессором Ли из Технологического института Вирджинии и профессором Колле из Массачусетского технологического института, сказал: «Удивительные выводы, полученные в результате этого исследования, стали возможными только благодаря тесному сотрудничеству между Технологическим институтом Вирджинии, MIT, Гарвард и Эксетер, в лабораториях, открывающих новые возможности в области материалов, механики и оптики. Наше последующее предприятие по использованию этих биологических принципов станет еще более захватывающим путешествием».
Семена новаторского исследования были посеяны более 16 лет назад в рамках небольшого проекта, созданного профессором Вукусичем в физической лаборатории бакалавриата Эксетера. Эти ранние тесты и измерения, проведенные энтузиастами-студентами, выявили возможность интригующей многофункциональности.
Первоначальные студенты изучили форму и структуру панциря жуков, чтобы попытаться понять простое происхождение их цвета. Однако они впервые заметили присутствие микропилларов, вызывающих силу.
Профессор Вукусич в конечном итоге передал эти первоначальные результаты своим сотрудникам профессору Линг Ли из Технологического института Вирджинии и профессору Матиасу Колле из Гарварда, а затем Массачусетского технологического института, которые специализируются на материаловедении и прикладной оптике. Используя гораздо более сложные методы измерения и моделирования, объединенная исследовательская группа также должна была подтвердить уникальную роль микростолбиков в повышении прочности и выносливости жуков без ущерба для их интенсивного металлического цвета.
Результаты исследования также могут вдохновить на создание нового поколения биоматериалов, а также на более традиционные эволюционные исследования.
Поняв, какая из функций обеспечивает большую пользу для этих жуков, ученые могут разработать новые методы для репликации и воспроизведения структуры экзоскелета, гарантируя при этом, что он имеет блестящий внешний вид с высокоэффективной прочностью и прочностью.
Профессор Вукусич добавил: «Такие естественные системы, как эти, всегда впечатляют тем, как они работают, будь то оптические, механические или другие функции. То, как их оптические или механические свойства проявляются высоко терпимый ко всем видам несовершенства, продолжает давать нам уроки о научных и технологических возможностях, которые мы обязательно должны исследовать. В этом путешествии нас ждет захватывающая наука».