Для инженеров, разрабатывающих современные сверхпрочные материалы, стоит обратить внимание на мир природы в поисках вдохновения, а броненосный жук (nosoderma diabolicum) — неплохой экземпляр для начала. Это существо может выжить, даже если его переедет автомобиль, и теперь ученые раскрыли некоторые секреты этой невероятной прочности, которая, по их словам, открывает путь для нового поколения материалов, обладающих схожими характеристиками.
Исследование было проведено инженерами Университета Пердью и сосредоточено на невероятно прочном экзоскелете жука-броненосца, одного из самых твердых среди всех членистоногих. Ученые обнаружили новые детали того, как существо поглощает такие огромные удары.
Используя сжатые стальные пластины и компьютерную томографию, команда наблюдала, как экзоскелет броненосца работает при возрастающих давлениях, и обнаружила, что он может выдерживать нагрузки, по крайней мере, в 39000 раз превышающие собственный вес тела до разрушения, что равно приложенной силе около 150 ньютонов.
Затем ученые использовали компьютерное моделирование и 3D-печатные модели, чтобы изолировать детальные структуры внутри экзоскелета, что подчеркнуло роль соединительного шва, проходящего по всей длине брюшка жука.
Этот шов лежит между двумя надкрыльями жука, хотя у броненосцев нет крыльев. Вместо этого нить соединяет надкрылья и части экзоскелета под ними, помогая равномерно распределять силу по телу жука с помощью двух сложных механизмов.
Части экзоскелета сцепляются друг с другом, как кусочки мозаики, что предотвращает их срыв с места под действием большой силы. Между тем шовный материал и части экзоскелета разделяются на слои. Оба этих механизма вместе работают, чтобы распределять нагрузку по жуку и избегать смертельных повреждений.
Одна из областей, в которой команда ученых надеется применить эти знания, — это газовые турбины самолетов, где металлы и композитные материалы необходимо комбинировать с использованием тяжелых механических креплений, которые со временем могут вызвать разрушение и напряжение.
Инженеры создали композитную застежку из углеродного волокна на основе конструкции экзоскелета броненосца и провели испытания под нагрузкой, обнаружив, что она такая же прочная и значительно более жесткая, чем застежки в аэрокосмической отрасли, используемые сегодня.
«Эта работа показывает, что мы можем перейти от использования прочных, хрупких материалов к материалам, которые могут быть как прочными, так и жесткими, рассеивая энергию при разрушении», — говорит автор исследования Пабло Заваттьери. «Это то, что природа позволила делать броненосному жуку».
Исследование было опубликовано в журнале Nature, а видео ниже предоставляет обзор исследования.