Что жук может рассказать нам о хороших принципах дизайна? На самом деле довольно много.
Многие насекомые и ракообразные обладают твердым, похожим на броню экзоскелетом, который теоретически должен утяжелять этих существ. Но вместо этого экзоскелеты на удивление легкие - даже позволяют летать насекомым в доспехах, таким как жук.
Орасио Д. из Northwestern Engineering. Эспиноса и его группа работают над тем, чтобы понять основные принципы проектирования и механические свойства, которые приводят к созданию структур с этими уникальными идеальными свойствами. Эта работа могла бы в конечном итоге раскрыть информацию, которая могла бы помочь в разработке и производстве новых и улучшенных искусственных материалов путем имитации этих проверенных временем естественных моделей - процесса, известного как биомимикрия..
При поддержке Междисциплинарной университетской исследовательской инициативы (MURI) Управления научных исследований ВВС исследование было представлено на обложке Advanced Functional Materials. Постдокторанты Руигуо Ян и Вей Гао, а также 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 в западной части Соединенных Штатов. Как и у всех насекомых и ракообразных, его экзоскелет состоит из скрученных фанерных структур, известных как структуры Булигана, которые помогают защититься от хищников. Волокна в этой структуре Булигана представляют собой пучки хитиновых полимерных цепей, обернутых белками. В этой цепной структуре каждое волокно имеет более высокую плотность по длине, чем поперек.
«Охарактеризовать свойства таких волокон очень сложно, учитывая, что они зависят от направления и имеют небольшой диаметр всего 20 нанометров», - сказал Эспиноса, профессор Джеймса Н. и Нэнси Дж. Фарли в области производства и производства. Предпринимательство в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. «Нам пришлось разработать новый метод характеризации, используя преимущества пространственного распределения волокон в структуре Булигана».
Чтобы решить эту задачу, Эспиноса и его команда применили 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.
«С более чем миллионом видов, которые сильно отличаются друг от друга по таксомическому родству, размеру и экологии, жуки являются самой большой группой насекомых», - сказал Хаяши. «Что делает это исследование захватывающим, так это то, что методы, примененные к экзоскелету жука Cotinis mutabilis, могут быть распространены на другие виды жуков».
Сопоставляя механические свойства с геометрией экзоскелета различных видов жуков, Эспиноса и его команда планируют получить представление о естественном отборе и лучше понять взаимосвязь структура-функция-свойства.