Foto: David Kisailus / UCI
Je zou het niet verwachten van zo’n klein beestje, maar de ironclad kever heeft een van de sterkste uitwendige skeletten van de geleedpotigen. Vogels, hagedissen en knaagdieren zouden het lekkere maaltje maar al te graag verorberen, maar slagen er zelden in. En zelfs als de kever wordt overreden, loopt hij rustig verder. Het voortbestaan van de kever hangt af van twee sleutelfactoren: zijn vermogen om overtuigend dood te spelen én een uitzonderlijk sterk uitwendig skelet, ook wel exoskelet genoemd. Het ontrafelen van de microstructuur van het pantser kan bijdragen aan de ontwikkeling van sterkere materialen, zo schrijven de onderzoekers in Nature.
Bijzondere dekschilden
Met behulp van microscopisch onderzoek met hoge resolutie, kwam het team tot de ontdekking dat het geheim ligt in de materiële samenstelling en architectuur van het pantser, en in het bijzonder zijn dekschilden. Bij luchtkevers zijn deze schilden de voorvleugelbladen die openen en sluiten om de vleugels te beschermen tegen bacteriën, uitdroging en andere bronnen van schade. De ironclad kever kan niet vliegen, maar heeft zijn dekschilden geëvolueerd tot een solide, beschermend schild waar roofdieren maar moeilijk doorheen kunnen komen.
De dekschilden van de ironclad kever blijken 10 procent meer van het eiwit chitine te bevatten in vergelijking met lichtere kevers, wat mogelijk bijdraagt aan de sterkte van het materiaal. Het team onderzocht ook de geometrie van de verbindingen tussen de twee dekschilden en ontdekte dat het heel erg lijkt op in elkaar grijpende stukjes van een legpuzzel. De gelaagdheid van het materiaal zorgt er tevens voor dat de spanning over het materiaal verspreid wordt, wat breken voorkomt. Met behulp van een 3D-printer probeerden de onderzoekers het materiaal na te maken voor toepassingen in bijvoorbeeld de vliegtuigindustrie.
Nauwkeurige biologische verbindingen
Hoogleraar Experimentele Zoölogie Johan van Leeuwen (Wageningen University): ‘Het is een hele mooie interdisciplinaire studie waarbij ze verschillende technieken hebben gebruikt om een bijzondere biologische fenomeen te verklaren. Met behulp van scanning electron-microscopie is de structuur van het exoskelet gedetailleerd bestudeerd en vervolgens is er een gesimplificeerde variant nagemaakt met een 3D-printer. Belangrijk is wel dat de natuur heel nauwkeurig bepaalde verbindingen kan maken via celsystemen wat resulteert in biologische materialen die subtiel van plaats tot plaats variëren in eigenschappen. De huidige 3D-printtechnieken halen dit niveau nog niet.’
Het exoskelet is stijf, maar laat toch veel vervorming toe
Van Leeuwen vervolgt: ‘Deze nieuwe inzichten kunnen desondanks wel een belangrijke rol spelen in toekomstige toepassingen. De architectuur van de dekbladen en hun verbindingen zorgt ervoor dat materiaalspanning verspreid wordt, waardoor piekspanningen effectief gereduceerd worden. Verder is het exoskelet stijf, maar laat het toch veel vervorming toe. Doordat vezels langs elkaar en de matrix schuiven kan er heel veel energie worden opgenomen, voordat de structuur breekt. Er ontstaat wel microschade maar doorgaans geen volledige catastrofe. Geïnspireerd door deze inzichten kunnen we gelaagde materialen met geoptimaliseerde verbindingen maken waarbij de spanning op dezelfde manier verdeeld wordt. Het is dan nog niet zo fijnzinnig als in het insect, maar het is een stapsgewijs proces naar steeds betere nabootsingen.’
Schrijf je in op onze nieuwsbrief
En blijf op de hoogte van de laatste inzichten in wetenschap en technologie.