Der teuflische eiserne Käfer, der in der Wüste im Südwesten der USA zu finden ist, hat ein Exoskelett, das so stark ist, dass er es überstehen kann, überfahren zu werden. Materialwissenschaftler an der University of California, Irvine, haben herausgefunden, was diesen winzigen Titanen so robust macht, und sie haben Verbundmaterialien mit den gleichen Eigenschaften hergestellt.
"Der Ironclad ist ein terrestrischer Käfer, also ist er nicht leicht und schnell, sondern eher wie ein kleiner Panzer gebaut", sagte David Kisailus, Professor für Materialwissenschaft und -technik an der UCI und Hauptforscher der Studie. "Das ist seine Anpassung:Es kann nicht wegfliegen, also bleibt es einfach stehen und lässt seine speziell entworfene Rüstung den Missbrauch aushalten, bis das Raubtier aufgibt."
Das Team untersuchte die Käfer mit Kompressionstests und stellte fest, dass sie einer Kraft standhalten konnten, die dem 39.000-fachen ihres eigenen Körpergewichts entsprach. Das ist so, als würde eine Person mit 60 kg ein Gewicht von 2.340 Tonnen überleben.
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Die bemerkenswerte Stärke des Insekts liegt in seinen Flügeldecken. Bei fliegenden Käfern sind die Flügeldecken verhärtete Vorderflügel, die sich über ihre Hinterflügel schließen – die das Fliegen übernehmen – und sie vor Bakterien und Schäden schützen. Bei dem teuflischen Eisenkäfer sind die Flügeldecken miteinander verschmolzen und bilden einen robusten Schild.
Die Forscher untersuchten die Flügeldecken mit einer Kombination aus Mikroskopie und Spektroskopie. Sie fanden heraus, dass es aus einer Proteinmatrix und Schichten aus Chitin besteht, einem faserigen Material, das häufig in den Exoskeletten von Insekten vorkommt. Im Vergleich zu einem fliegenden Käfer hatte der Elytra des Panzerschiffs etwa 10 Gewichtsprozent mehr Protein.§
Sie untersuchten auch, wie die beiden Flügeldeckenhälften befestigt sind – die so genannte mediale Naht. Die Verbindung sieht bemerkenswert aus wie ineinandergreifende Puzzleteile. Sie verhalten sich jedoch nicht so, wie Sie es erwarten würden, wenn der Käfer zusammengedrückt wird.
„Wenn Sie ein Puzzleteil zerbrechen, erwarten Sie, dass es sich am Hals löst, dem dünnsten Teil“, sagte Kisailus. „Aber wir sehen diese Art von katastrophaler Spaltung bei dieser Käferart nicht. Stattdessen delaminiert sie und sorgt für ein eleganteres Versagen der Struktur.“ Das heißt, die Schichtstruktur des Chitins rettet den Tag:Anstatt plötzlich zu brechen, brechen die Schichten langsam und lösen sich auf.
Kisailus und sein Team haben sich von diesen bemerkenswerten Käfern inspirieren lassen, um ein biomimetisches Verbundmaterial mit denselben ineinandergreifenden Teilen zu entwerfen. Als sie das Material mit einer Aluminiumkupplung verbanden, stellten sie fest, dass es viel stärker und widerstandsfähiger war als Standardbefestigungen.
Das Team hofft, dass dies in Flugzeugen verwendet werden könnte, um Segmente ohne die Schwachstellen zu verbinden, die herkömmliche Nieten und Befestigungselemente mit sich bringen.
„Diese Studie schlägt wirklich eine Brücke zwischen den Bereichen Biologie, Physik, Mechanik und Materialwissenschaften hin zu technischen Anwendungen, die man normalerweise in der Forschung nicht sieht“, sagte Kisailus.