Con uno dei nomi più maestosi del regno animale, il diabolico scarabeo corazzato è un formidabile insetto. Uccelli, lucertole e roditori spesso cercano di farne un pasto, ma raramente ci riescono. Corri su di esso con una macchina, e la creatura continua a vivere.

La sopravvivenza dello scarabeo dipende da due fattori chiave:la sua capacità di fare il morto in modo convincente e un esoscheletro che è uno dei più resistenti, strutture più resistenti allo schiacciamento conosciute nel mondo biologico. In un articolo pubblicato oggi in Natura , ricercatori dell'Università della California, Irvine e altre istituzioni rivelano i componenti materiali - e i loro progetti su nano e microscala - che rendono l'organismo così indistruttibile, dimostrando anche come gli ingegneri possono trarre vantaggio da questi progetti.

"La corazzata è uno scarabeo terrestre, quindi non è leggero e veloce ma costruito più come un piccolo serbatoio, " ha detto il ricercatore principale e autore corrispondente David Kisailus, Professore UCI di scienza e ingegneria dei materiali. "Questo è il suo adattamento:non può volare via, quindi rimane fermo e lascia che la sua armatura appositamente progettata prenda l'abuso fino a quando il predatore non si arrende."

Nel suo habitat desertico nel sud-ovest degli Stati Uniti, il coleottero si trova sotto le rocce e sugli alberi, schiacciato tra la corteccia e il tronco, un altro motivo per cui deve avere un esterno resistente.

L'autore principale Jesus Rivera, uno studente laureato nel laboratorio di Kisailus, appreso per la prima volta di questi organismi nel 2015 durante una visita al famoso museo di entomologia a UC Riverside, dove lui e Kisailus stavano lavorando in quel momento. Rivera ha raccolto i coleotteri dai siti intorno al campus dell'Inland Empire e li ha riportati al laboratorio di Kisailus per eseguire test di compressione, confrontando i risultati con quelli di altre specie originarie della California meridionale. Hanno scoperto che il diabolico scarabeo corazzato può resistere a una forza di circa 39, 000 volte il suo peso corporeo. Un uomo di 200 libbre dovrebbe sopportare il peso schiacciante di 7,8 milioni di libbre per eguagliare questa impresa.

Conducendo una serie di valutazioni microscopiche e spettroscopiche ad alta risoluzione, Rivera e Kisailus hanno appreso che il segreto dell'insetto risiede nella composizione materiale e nell'architettura del suo esoscheletro, nello specifico, le sue elitre. Nei coleotteri aerei, le elitre sono le pale delle ali anteriori che si aprono e si chiudono per salvaguardare le ali di volo dai batteri, disseccamento e altre fonti di danno. Le elitre corazzate si sono evolute fino a diventare un solido, scudo protettivo.

L'analisi di Kisailus e Rivera ha mostrato che le elitre sono costituite da strati di chitina, un materiale fibroso, e una matrice proteica. In collaborazione con un gruppo guidato da Atsushi Arakaki e dal suo studente laureato Satoshi Murata, entrambi dalla Tokyo University of Agriculture and Technology, hanno esaminato la composizione chimica dell'esoscheletro di uno scarabeo volante più leggero e l'hanno confrontata con quella del loro soggetto terrestre. Lo strato esterno del diabolico coleottero corazzato ha una concentrazione significativamente più alta di proteine, circa il 10% in più in peso, che i ricercatori suggeriscono contribuisca alla maggiore resistenza delle elitre.

Il team ha anche studiato la geometria della sutura mediale che unisce le due parti delle elitre e ha scoperto che assomiglia molto ai pezzi interconnessi di un puzzle. Rivera ha costruito un dispositivo all'interno di un microscopio elettronico per osservare come si comportano queste connessioni sotto compressione, simile a come potrebbero rispondere in natura. I risultati del suo esperimento hanno rivelato che, piuttosto che scattare nella regione del "collo" di questi incastri, la microstruttura all'interno delle lame di elitre cede il passo tramite delaminazione, o fratturazione stratificata.

"Quando rompi un pezzo del puzzle, ti aspetti che si separi al collo, la parte più sottile, " Kisailus ha detto. "Ma non vediamo quel tipo di spaccatura catastrofica con questa specie di coleottero. Anziché, si delamina, prevedendo un più aggraziato cedimento della struttura."

Un ulteriore esame microscopico di Rivera ha rivelato che le superfici esterne di queste lame presentano serie di elementi simili a bastoncelli chiamati microtrichia che gli scienziati ritengono agiscano come cuscinetti di attrito, fornendo resistenza allo scivolamento.

Kisailus mandò Rivera a lavorare con Dula Parkinson e Harold Barnard presso l'Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory, dove hanno eseguito esperimenti ad alta risoluzione per individuare i cambiamenti all'interno delle strutture in tempo reale utilizzando raggi X estremamente potenti.

I risultati hanno confermato che durante la compressione, la sutura, piuttosto che rompersi nel punto più sottile, si delamina lentamente senza guasti catastrofici. Hanno anche convalidato che la geometria, i componenti materiali e il loro assemblaggio sono fondamentali per rendere l'esoscheletro del coleottero così resistente e robusto.

Per corroborare ulteriormente le loro osservazioni sperimentali, Rivera e i coautori Maryam Hosseini e David Restrepo, entrambi del laboratorio di Pablo Zavattieri alla Purdue University, hanno utilizzato tecniche di stampa 3D per creare le proprie strutture con lo stesso design. Hanno eseguito dei test che hanno rivelato che la disposizione fornisce la massima resistenza e durata. I modelli del team Purdue hanno dimostrato che non solo la geometria consente un interblocco più forte, ma la laminazione fornisce un'interfaccia più affidabile.

Kisailus ha detto che vede una grande promessa nell'esoscheletro dello scarabeo corazzato e in altri sistemi biologici per nuove sostanze a beneficio dell'umanità. Il suo laboratorio ha fatto progressi, materiali compositi fibrorinforzati basati su queste caratteristiche, e immagina lo sviluppo di nuovi modi per fondere insieme i segmenti degli aerei senza l'uso di rivetti e dispositivi di fissaggio tradizionali, ciascuno dei quali rappresenta un punto di sollecitazione nella struttura.

La sua squadra, tra cui Drago Vasile, studente universitario dell'UC Riverside, imitava l'ellittica, pezzi ad incastro dell'esoscheletro del diabolico scarabeo corazzato con plastica rinforzata con fibra di carbonio. Hanno unito il loro composito biomimetico a un giunto in alluminio e hanno condotto test meccanici per determinare se c'erano vantaggi rispetto ai dispositivi di fissaggio aerospaziali standard in materiali dissimili leganti. Abbastanza sicuro, gli scienziati hanno scoperto che la struttura ispirata allo scarabeo era sia più forte che più resistente degli attuali elementi di fissaggio ingegneristici.

"Questo studio collega davvero i campi della biologia, fisica, meccanica e scienza dei materiali verso applicazioni ingegneristiche, che di solito non vedi nella ricerca, " disse Kisailus. "Per fortuna, questo programma, sponsorizzato dall'Aeronautica Militare, ci consente davvero di formare questi team multidisciplinari che hanno contribuito a collegare i punti per portare a questa scoperta significativa".