Los escarabajos son criaturas con armadura corporal incorporada. Son tanques diminutos cubiertos con conchas duras, también conocidas como exoesqueletos, que protegen sus cuerpos blandos y sin esqueleto en el interior. Además de brindar protección blindada, el exoesqueleto del escarabajo ofrece funciones como sensorialretroalimentación y control de la hidratación. En particular, los exoesqueletos de muchos escarabajos también tienen colores y patrones brillantes, lo que mejora la comunicación visual con otros escarabajos y organismos.
Ling Li, investigador principal y profesor asistente de ingeniería mecánica, se ha unido a colegas de otras seis universidades para investigar la interacción entre el rendimiento mecánico y óptico en los exoesqueletos de escarabajos. Descubrieron que las estructuras que proporcionan soporte mecánico también son actores clave en el marco óptico.Sus hallazgos fueron publicados en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
El equipo se ha unido para responder preguntas sobre cómo el material exoesquelético logra funciones mecánicas y ópticas notables al mismo tiempo, y qué función domina el diseño estructural a escalas nanométricas y micrométricas.
Su enfoque se redujo a una especie específica: el escarabajo de las flores. Este pequeño escarabajo vive en las selvas tropicales del sudeste asiático y se caracteriza por mostrar colores brillantes, que van desde el azul profundo al verde, al naranja y al rojo. Estas coloridas conchasse componen de dos capas principales que se combinan para brindar protección, comunicación e hidratación.
Cómo funciona la armadura de color de un escarabajo
Li y su equipo iniciaron su investigación a partir del conocimiento de la composición del caparazón de un escarabajo: su capa exterior de exocutícula contiene una microestructura única con solo 1/30 de un milímetro de espesor. Su composición es una pila de capas de nanoescala horizontales insertadas con pilares de microescala verticales,proporcionando al exoesqueleto coloración óptica y resistencia mecánica al mismo tiempo.
A diferencia de las coloraciones a base de pigmentos, la apariencia óptica del escarabajo de la flor resulta de la microestructura del exoesqueleto. La región de nanocapas consta de dos composiciones de materiales alternados, que reflejan selectivamente la luz de ciertos colores. Este fenómeno se denomina color estructural o color fotónico.
El color estructural es una estrategia común para producir coloración en la naturaleza, como se ve en las alas de las mariposas, las plumas de los pájaros e incluso en algunas plantas y conchas de moluscos. En 2015, Li y sus colegas descubrieron que un tipo de lapa que se encuentra en Europa desarrolla su color iridiscentecolor azul en sus conchas a través de una microestructura multicapa similar de la calcita mineral, el mismo material que se encuentra en la tiza.
Además de proporcionar coloración, el caparazón exoesquelético de los escarabajos debe ser fuerte y tolerante a los daños, explicó Li. El escarabajo de las flores logra esto mediante el refuerzo de los micropilares verticales de su caparazón. Cuando se perfora la microestructura, los micropilares de la capa mantienen un selloel lugar de la perforación. Esto impide que el ala del escarabajo se desgarre, agriete o deslamine. Los micropilares también pueden saltar hacia atrás, lo que reduce el tamaño del lugar de daño que se inmiscuye en el objeto entrante después de la descarga.
Micropilares con múltiples trabajos
Sabiendo que las funciones mecánicas y ópticas estaban vinculadas, el equipo trató de descubrir cuál de las dos era la principal.
Al colaborar con Mathias Kolle del MIT, el equipo desarrolló un programa de modelado óptico para simular la respuesta óptica de la microestructura del escarabajo. Descubrieron que la presencia de micropilares, al tiempo que reduce cierto grado de reflexión óptica, es capaz de redistribuir la luz reflejada.a un rango angular mayor. Esto contribuye a la capacidad del escarabajo de "enviar" las señales ópticas a sus receptores potenciales.
Al mismo tiempo, mecánicamente, la presencia de micropilares aumenta la rigidez, la resistencia y la robustez mecánica de la estructura al evitar la formación de bandas de corte, mejorar la resistencia al daño de la capa exterior y localizar el daño en el exoesqueleto.
Después de comprender los mecanismos básicos de la coloración óptica y el refuerzo mecánico, Li y su equipo estudiaron cómo la disposición y el tamaño de los micropilares de un exoesqueleto impactan en ambos factores.
Descubrieron que había que lograr un equilibrio: si hubiera muchos micropilares, la resistencia mecánica mejoraría, explicó Li. Sin embargo, esto degradaría el color estructural, porque se reduciría el porcentaje de área de la multicapa horizontal.
El objetivo final fue determinar qué propiedad, óptica o mecánica, está más optimizada cuando la evolución "diseña" la microestructura. Para responder a esta pregunta, el equipo examinó la microestructura de los escarabajos de las flores del mismo grupo de especies, pero con diferentes colores.
La función óptica ganó el día. Descubrieron que el tamaño y la distribución de los micropilares en escarabajos de diferentes colores estaban efectivamente optimizados para lograr la redistribución de la luz más eficiente. La mejora de las propiedades mecánicas, en particular la rigidez, parecía no estar optimizada.dado que la microestructura no estaba completamente cubierta con los micropilares más rígidos y fuertes, este resultado indicó que el desempeño óptico tuvo prioridad sobre el desempeño mecánico durante la evolución de esta peculiar estructura micropilar multicapa.
"Este trabajo presenta un ejemplo notable de cómo la naturaleza logra la multifuncionalidad con diseños microestructurales únicos", dijo Li. "Creemos que las estrategias de materiales reveladas en este trabajo se pueden utilizar en el diseño de materiales de recubrimiento fotónico con un rendimiento mecánico robusto. Nuestro enfoque interdisciplinario basadosobre materiales, óptica, mecánica y biología también ofrece una vía importante para comprender la evolución a nivel de materiales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Tecnología de Virginia . Original escrito por Alex Parrish. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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