p Com um dos nomes mais inspiradores do reino animal, o diabólico besouro de ferro é um inseto formidável. Pássaros, lagartos e roedores freqüentemente tentam fazer uma refeição com ele, mas raramente conseguem. Atropele-o com um carro, e a criatura vive. p A sobrevivência do besouro depende de dois fatores principais:sua capacidade de se fingir de morto de forma convincente e um exoesqueleto que é um dos mais difíceis, a maioria das estruturas resistentes ao esmagamento conhecidas existem no mundo biológico. Em um artigo publicado hoje em Natureza , pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine e outras instituições revelam os componentes materiais - e seus projetos em nano e microescala - que tornam o organismo tão indestrutível, ao mesmo tempo, demonstrando como os engenheiros podem se beneficiar desses projetos.

p "O couraçado é um besouro terrestre, por isso não é leve e rápido, mas construído mais como um pequeno tanque, "disse o investigador principal e autor correspondente David Kisailus, Professor de ciência e engenharia de materiais da UCI. "Essa é a sua adaptação:não pode voar para longe, então ele apenas fica parado e permite que sua armadura especialmente projetada aguente o abuso até que o predador desista. "

p Em seu habitat desértico no sudoeste dos EUA, o besouro pode ser encontrado sob as rochas e nas árvores, espremido entre a casca e o tronco - outro motivo pelo qual precisa ter um exterior durável.

p Autor principal Jesus Rivera, um estudante de graduação no laboratório de Kisailus, soube desses organismos pela primeira vez em 2015, durante uma visita ao renomado museu de entomologia na UC Riverside, onde ele e Kisailus estavam trabalhando na época. Rivera coletou os besouros em locais ao redor do campus do Inland Empire e os trouxe de volta ao laboratório de Kisailus para realizar testes de compressão, comparando os resultados com os de outras espécies nativas do sul da Califórnia. Eles descobriram que o diabólico besouro de ferro pode suportar uma força de cerca de 39, 000 vezes o seu peso corporal. Um homem de 200 libras teria que suportar o peso esmagador de 7,8 milhões de libras para igualar essa façanha.

p Realizando uma série de avaliações microscópicas e espectroscópicas de alta resolução, Rivera e Kisailus aprenderam que o segredo do inseto está na composição material e na arquitetura de seu exoesqueleto, especificamente, seu elytra. Em besouros aéreos, elytra são as lâminas das asas anteriores que se abrem e fecham para proteger as asas de vôo das bactérias, dessecação e outras fontes de dano. O éltra do couraçado evoluiu para se tornar um sólido, Escudo protetor.

p A análise de Kisailus e Rivera mostrou que o éltra consiste em camadas de quitina, um material fibroso, e uma matriz de proteína. Em colaboração com um grupo liderado por Atsushi Arakaki e seu aluno de graduação Satoshi Murata, ambos da Universidade de Agricultura e Tecnologia de Tóquio, eles examinaram a composição química do exoesqueleto de um besouro voador mais leve e a compararam com a de seu objeto terrestre. A camada externa do besouro de ferro diabólico tem uma concentração significativamente maior de proteína - cerca de 10 por cento a mais em peso¬¬ - que os pesquisadores sugerem que contribui para o aumento da dureza do élitro.

p A equipe também investigou a geometria da sutura medial que une as duas partes do elytra e descobriu que se parece muito com peças interligadas de um quebra-cabeça. Rivera construiu um dispositivo dentro de um microscópio eletrônico para observar como essas conexões funcionam sob compressão, semelhante a como eles podem responder na natureza. Os resultados de seu experimento revelaram que, em vez de agarrar na região do "pescoço" desses intertravamentos, a microestrutura dentro das lâminas do élitro cede via delaminação, ou fraturamento em camadas.

p "Quando você quebra uma peça do quebra-cabeça, você espera que se separe no pescoço, a parte mais fina, "Kisailus disse." Mas não vemos esse tipo de divisão catastrófica com esta espécie de besouro. Em vez de, isso delamina, proporcionando uma falha mais elegante da estrutura. "

p Um exame microscópico adicional por Rivera revelou que as superfícies externas dessas lâminas apresentam matrizes de elementos em forma de bastão chamados microtriquia que os cientistas acreditam que atuam como almofadas de fricção, fornecendo resistência ao deslizamento.

p Kisailus enviou Rivera para trabalhar com Dula Parkinson e Harold Barnard no Advanced Light Source do Lawrence Berkeley National Laboratory, onde eles realizaram experimentos de alta resolução para localizar as mudanças dentro das estruturas em tempo real usando raios-X extremamente poderosos.

p Os resultados confirmaram que durante a compressão, a sutura - em vez de quebrar no ponto mais fino - delamina lentamente sem falha catastrófica. Eles também validaram que a geometria, os componentes do material e sua montagem são essenciais para tornar o exoesqueleto do besouro tão resistente e robusto.

p Para comprovar ainda mais suas observações experimentais, Rivera e os co-autores Maryam Hosseini e David Restrepo - ambos do laboratório de Pablo Zavattieri na Purdue University - empregaram técnicas de impressão 3-D para criar suas próprias estruturas do mesmo design. Eles executaram testes que revelaram que o arranjo oferece o máximo de resistência e durabilidade. Os modelos da equipe Purdue mostraram que não só a geometria permite um intertravamento mais forte, mas a laminação fornece uma interface mais confiável.

p Kisailus disse que vê uma grande promessa no exoesqueleto do besouro de ferro e outros sistemas biológicos de novas substâncias para beneficiar a humanidade. Seu laboratório tem avançado, materiais compósitos reforçados com fibra com base nessas características, e ele prevê o desenvolvimento de novas maneiras de fundir segmentos de aeronaves sem o uso de rebites e fixadores tradicionais, cada qual representa um ponto de estresse na estrutura.

p O time dele, incluindo Drago Vasile, estudante de graduação da UC Riverside, imitou o elíptico, peças interligadas do exoesqueleto do besouro revestido de ferro diabólico com plásticos reforçados com fibra de carbono. Eles juntaram seu composto biomimético a um acoplamento de alumínio e conduziram testes mecânicos para determinar se havia alguma vantagem em relação aos fixadores aeroespaciais padrão na ligação de materiais diferentes. Com certeza, os cientistas descobriram que a estrutura inspirada no besouro era mais forte e mais resistente do que os prendedores de engenharia atuais.

p "Este estudo realmente estabelece uma ponte entre os campos da biologia, física, mecânica e ciência dos materiais para aplicações de engenharia, que você normalmente não vê em pesquisas, "Kisailus disse." Felizmente, este programa, que é patrocinado pela Força Aérea, realmente nos permite formar essas equipes multidisciplinares que ajudaram a conectar os pontos para levar a essa descoberta significativa. "