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科學家揭開鐵定甲蟲外殼“堅不可摧”的秘密

  據外媒CNET報道,鐵定甲蟲的外骨骼是動物界最堅硬的外骨骼之一,甚至能經受住被汽車的碾壓。科學家們現在認為他們已經知道其中的原因。在本周三發表在 《自然》 雜誌上的一項研究中, 研究人員揭開了鐵定甲蟲驚人的抗壓能力的秘密,並展示了新的超強韌材料如何利用甲蟲的生物學優勢。

  乍一看,這種甲蟲給人留下了深刻的印象:黑乎乎、凹凸不平的外骨骼,看起來有點像一塊燒焦的石頭。但在它平凡的外表下,卻隱藏著一些結構上的奇跡,是由進化而來。許多種類的甲蟲都能飛行,它們的翅膀被包裹在鞘翅中—— 一種保護性的堅韌外殼中 。飛行對甲蟲來說是一種很好的防禦機制,使它們能夠躲避捕食者,但鐵定甲蟲沒有翅膀,經常裝死,依靠它的外骨骼來保證安全。

  “鐵定甲蟲是一種陸生甲蟲,所以它的重量不輕,速度不快,但建造得更像一個小坦克,”加州大學爾灣分校材料科學與工程教授、該研究的合著者大衛-基賽勒斯在一份新聞稿中說。這種甲蟲的外骨骼非常堅韌,甚至給希望展示它們的昆蟲學家帶來了一些問題--很難將一根針穿過鐵甲。

  為了研究這些“小坦克”,研究小組的一名成員Jesus Rivera捕捉了甲蟲,並將它們帶回實驗室。首先,研究人員發現甲蟲的外骨骼可以承受大約150牛頓的力量--是其體重的39000倍。其他三種陸生甲蟲的承受力只有其一半。

  但為什麼這種特殊的外骨骼會如此強大呢?研究小組使用一種名為微電腦斷層掃描的3D成像技術來觀察這種甲蟲,這種技術的工作原理就像整個生物體的X光。他們重點研究了鐵甲蟲的外骨骼。

  鐵甲蟲有鞘翅可能看起來很不尋常。畢竟它是一種不能飛的地棲甲蟲。但它是由一種曾經會飛的甲蟲進化而來, 它的外骨骼的強度取決於它的外骨骼。它們以最非凡的方式融合在一起, 形成了一條蜿蜒曲折的縫合線。

  研究人員形容它就像拼圖的碎片,連接在一起。將兩塊拼圖鎖在一起,可能的失效點就在拼圖的“聯鎖”處。但在高倍顯微鏡下研究聯鎖關節,並使用電腦模擬,團隊沒有看到任何災難性的失敗。聯鎖關節似乎還能撐得住,將應力傳遞到整個區域,而不是裂開。這很重要--它保護了甲蟲的頸部。此外,鐵甲蟲的鞘翅的化學成分與飛行甲蟲略有不同。它似乎混有較高濃度的蛋白質,這可能會增加昆蟲的韌性。

  研究人員進一步研究了這種外骨骼的幾何形狀如何能夠開發出更堅韌的材料。他們從甲蟲的聯鎖關節處吸取了教訓,並創造了一些碳纖維拼圖片,以測試現實世界應用中的機械強度--航空航天工程中使用的緊固件。

  “這項工作表明,我們或許可以從使用強而脆的材料轉變為透過在斷裂時耗散能量而使材料既強又韌的材料,”普渡大學土木工程師、該研究的共同作者Pablo Zavattieri說。

  【來源:cnBeta.COM】

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