Ученые раскрыли секрет прочности «нераздавливаемого» жука

Американского жука Nosoderma diabolicum не раздавит даже проехавший по нему автомобиль: жесткие надкрылья насекомого выдерживают огромные нагрузки благодаря необычным структурам, напоминающим соединение деталей пазла.

Жуков Nosoderma diabolicum и их родственников недаром называют «броненосцами»: необычайно толстый и прочный панцирь позволяет им выдерживать нагрузку до 150 ньютонов — около 15 килограммов, примерно в 39 тысяч раз больше их собственного веса. Неудивительно, что эти насекомые потеряли способность летать, зато без каких-либо проблем переживают наезд автомобильного колеса. Для своих естественных противников — птиц, грызунов и ящериц — они представляют твердый орешек, разгрызть который практически невозможно.

Команды Пабло Заватьери (Pablo Zavattieri) из Университета Пердью и Дэвида Кисалиуса (David Kisailus) из Калифорнийского университета в Ирвайне исследовали секреты прочности этих жесткокрылых, наблюдая за поведением панциря при больших нагрузках под микроскопом и с помощью компьютерной томографии, а затем распечатав на 3D-принтере и испытав аналогичные структуры. Их статья опубликована в журнале Nature.

Выступы и впадины надкрыльев образуют сверхпрочное, но упругое соединение / ©Jesus Rivera, UCI

Авторы отмечают, что обычные жуки не способны выдержать и половины нагрузки, которую переносят Nosoderma diabolicum. Секрет их стойкости — в строении надкрыльев, благодаря которым они превратились из обычных «чехлов» для крыльев в мощную защиту для всех внутренних органов. Во-первых, внешние слои панциря усилены структурными белками, придающими им дополнительную прочность. По оценкам ученых, содержание белков здесь примерно на 10 процентов выше, чем в остальных частях жука.

Во-вторых, соединение обоих надкрыльев по центральной линии укреплено структурами, напоминающими детали пазла. Если давление оказывается чересчур высоким даже для такого укрепленного экзоскелета, соединения надкрыльев деформируются и медленно расходятся, словно застревающая застежка-молния. Этот процесс требует большого усилия, эффективно рассеивая приложенную энергию и сохраняя панцирь от разломов.

При этом поверхности входящих друг в друга выступов и впадин покрыты упругими белками, которые повышают прочность их связи и не позволяют разрушиться при расхождении. Ученые воспроизвели такие структуры на 3D-принтере и испытали их на нагрузку, подтвердив, что они обеспечивают повышенную прочность. Авторы исследования уверены, что их находка станет очередной идеей, которую удастся заимствовать у природы и применить в инженерии, создавая более прочные конструкции из металлов и композитов.