Биологический чертеж для прочного цвета
Уникальные механические и оптические свойства экзоскелета невзрачного азиатского жука могут дать новое понимание для разработки эффективных биоинспирированных технологий.
Новое исследование международной группы ученых, включая профессора Пита Вукусика из Университета Эксетера, выявило ранее неизвестное свойство в карапаксе (верхней части экзоскелета) цветочного жука из семейства пластинчатоусых.
Исследование показало, что в карапаксе жука есть микростолбики, которые придают насекомому прочность и гибкость для эффективного сопротивления повреждениям. При этом эти микростолбики встроены в высокоупорядоченные слои экзоскелета, которые одновременно придают жуку яркую металлическую окраску.
Ученые использовали сложное моделирование, чтобы определить, какая из двух функций — высокая механическая прочность или яркая окраска — важнее для выживания жука. Оказалось, что хотя микростолбики действительно значительно повышают прочность панциря, их главная польза — в оптимизации рассеяния цветного света, создающего яркий внешний вид.
Исследование опубликовано в ведущем журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Профессор Вукусик отметил: «Эти удивительные открытия стали возможны благодаря тесному сотрудничеству между Virginia Tech, MIT, Гарвардом и Эксетером. Наш следующий шаг — использование этих биоинспирированных принципов — будет еще более захватывающим».
Истоки этого исследования лежат в студенческом проекте по физике в Эксетере более 16 лет назад. Студенты, изучавшие структуру карапакса жуков для понимания происхождения их цвета, впервые заметили наличие укрепляющих микростолбиков.
Эти первоначальные данные Вукусик передал специалистам по материаловедению и прикладной оптике — профессорам Лингу Ли (Virginia Tech) и Матиасу Колле (Гарвард, затем MIT). Совместными усилиями с использованием более сложных методов измерений и моделирования команда подтвердила уникальную роль микростолбиков в повышении прочности и вязкости панциря без ущерба для его интенсивного металлического цвета.
Результаты исследования могут вдохновить новое поколение биоинспирированных материалов. Понимание того, какая функция приносит жукам большую пользу, позволит ученым разрабатывать методы воспроизведения структуры экзоскелета, сочетающей блестящий цвет с высокой прочностью и вязкостью.
Профессор Вукусик добавил: «Подобные природные системы, будь то в оптике, механике или других областях, всегда впечатляют. То, как их свойства проявляют высокую устойчивость ко всевозможным несовершенствам, продолжает указывать нам научные и технологические пути, которые мы обязательно должны исследовать».
Статья «Tough color: Microstructural design for mechanical-optical multifunctionality in the exoskeleton of flower beetle Torynorrhina flammea» опубликована в PNAS.