A microestrutura encontrada no exoesqueleto do besouro contribui para a cor e resistência a danos

Ling Li, investigador principal e professor assistente de engenharia mecânica, juntou-se a colegas de seis outras universidades para investigar a interação entre o desempenho mecânico e óptico em exoesqueletos de besouro. Eles descobriram que as estruturas que fornecem suporte mecânico também são peças-chave na estrutura óptica. Suas descobertas foram publicadas no procedimentos da Academia Nacional de Ciências.

A equipe se reuniu para responder a perguntas sobre como o material exoesquelético atinge funções mecânicas e ópticas notáveis ​​ao mesmo tempo, e qual função domina o design estrutural nas escalas de nano e micrômetro.

Seu foco desceu para uma espécie específica: o besouro das flores. Este pequeno besouro vive nas florestas tropicais do sudeste da Ásia e é caracterizado por apresentar cores brilhantes, que vão do azul profundo ao verde, laranja e vermelho. Essas conchas coloridas são compostas por duas camadas principais que se combinam para fornecer proteção, comunicação e hidratação.

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Li e sua equipe começaram suas pesquisas com o conhecimento da composição da concha de um besouro: sua camada exocutícula externa contém uma microestrutura única com apenas 1/30 de milímetro de espessura. Sua composição é uma pilha de camadas horizontais em nanoescala inseridas com pilares verticais em microescala, que fornecem ao exoesqueleto coloração ótica e resistência mecânica ao mesmo tempo.

Ao contrário das manchas baseadas em pigmentos, a aparência óptica do besouro da flor resulta da microestrutura do exoesqueleto. A região da nanocamada consiste em duas composições alternadas de materiais, que refletem seletivamente a luz de certas cores. Este fenômeno é denominado cor estrutural ou cor fotônica.

A cor estrutural é uma estratégia comum para produzir coloração na natureza, como observada nas asas de borboletas, penas de pássaros e até mesmo em algumas plantas e conchas de moluscos. Em 2015, Li e seus colegas descobriram que um tipo de lapa encontrado na Europa desenvolve sua cor azul iridescente em suas cascas por meio de uma microestrutura multicamadas semelhante do mineral calcita, o mesmo material encontrado no quadro branco.

Além de fornecer coloração, a carapaça exoesquelética do besouro deve ser forte e tolerante a danos, explicou Li. O besouro das flores consegue isso reforçando os micro-pilares verticais de sua concha. Quando a microestrutura é perfurada, os micro-pilares da casca mantêm uma vedação ao redor do local da punção. Isso impede que a asa do besouro se rasgue, se rache ou se descafe. Os micro-pilares também podem saltar para trás, reduzindo assim o tamanho do local do dano intrudido pelo objeto que entra após a descarga.

Micro-pilares com múltiplas tarefas

Sabendo que as funções mecânicas e ópticas estavam ligadas, a equipe tentou descobrir qual das duas era a principal.

Colaborando com Mathias Kolle do MIT, a equipe desenvolveu um programa de modelagem óptica para simular a resposta óptica da microestrutura do besouro. Eles descobriram que a presença de micro-pilares, embora reduza algum grau de reflexão óptica, pode redistribuir a luz refletida para uma faixa angular maior. Isso contribui para a capacidade do besouro de “enviar” os sinais ópticos aos seus receptores potenciais.

Ao mesmo tempo, mecanicamente, a presença de micro-pilares aumenta a rigidez, resistência e robustez mecânica da estrutura, evitando a formação de bandas de cisalhamento, melhorando a resistência ao dano da camada externa e localizando o dano no exoesqueleto.

Depois de compreender os mecanismos básicos de coloração óptica e reforço mecânico, Li e sua equipe estudaram como o arranjo e o tamanho dos micro-pilares em um exoesqueleto impactam ambos os fatores.

Eles descobriram que um equilíbrio precisava ser alcançado: se houvesse muitos micro-pilares, a resistência mecânica melhoraria, Li explicou. No entanto, isso degradaria a cor estrutural, porque a porcentagem da área da multicamada horizontal seria reduzida.

O objetivo final era determinar qual propriedade, ótica ou mecânica, é mais otimizada quando a evolução “projeta” a microestrutura. Para responder a essa pergunta, a equipe examinou a microestrutura de besouros florais do mesmo grupo de espécies, mas com cores diferentes.

O show óptico ganhou o dia. Eles descobriram que o tamanho e a distribuição dos micro-pilares em besouros de cores diferentes foram de fato otimizados para alcançar a redistribuição de luz mais eficiente. A melhoria das propriedades mecânicas, principalmente da rigidez, pareceu não ser otimizada, uma vez que a microestrutura não estava totalmente recoberta com os micro-pilares mais rígidos e resistentes. Este resultado indicou que o desempenho óptico teve prioridade sobre o desempenho mecânico durante a evolução desta estrutura micropilar de multicamadas peculiar.

“Este trabalho apresenta um exemplo notável de como a natureza alcança a multifuncionalidade com designs microestruturais exclusivos”, disse Li. “Acreditamos que as estratégias de materiais reveladas neste trabalho podem ser usadas no projeto de materiais de revestimento fotônico com desempenho mecânico robusto. Nossa abordagem interdisciplinar baseada em materiais, óptica, mecânica e biologia também oferece um caminho importante para entender a evolução ao nível dos materiais . “