Дьявольский железный жук Phloeodes diabolicus не может похвастаться яркой окраской или металлическим блеском своих жесткокрылых собратьев: в лучшем случае он напоминает камень или кусочек обугленного дерева. Впрочем, свой недостаток внешней привлекательности он с лихвой компенсирует невероятной стойкостью к повреждениям, и наконец учёные разгадали, в чём же секрет прочности его экзоскелета.

Phloeodes diabolicus – не просто трудная мишень для хищников. Известны случаи, когда этот дьявольский жук выживал не только под ногой человека, но и под колёсами автомобиля. С его прочным панцирем не могут справиться даже энтомологические булавки, с помощью которых насекомых фиксируют на коллекционных стендах. Жук Phloeodes diabolicus обитает на уровне земли в пределах Западного побережья Северной Америки: разнообразие фауны этого региона предполагает наличие естественных хищников. Жуки этого вида не способны взлететь в случае опасности, однако их навыки выживания поистине поражают. Учёные из нескольких ведущих американских университетов объединили свои усилия, чтобы наконец раскрыть тайну физических и механических характеристик экзоскелета дьявольских железных жуков.

Жук Phloeodes diabolicus с длиной тела чуть более сантиметра проводит свою жизнь, изучая юго-западные пустыни Северной Америки, ползая под камнями или древесной корой. Сталкиваясь с опасностью, он полагается лишь на собственную «броню», пока хищник не оставит идею отобедать дьявольским жуком. Исследователи отловили несколько особей на территории калифорнийской агломерации Внутренняя Империя. В рамках первого эксперимента учёные вычислили максимальную нагрузку, которую может выдержать экзоскелет жука Phloeodes diabolicus. Представители родственного вида стойко переносили нагрузку в 68 ньютонов, однако дьявольский Phloeodes выстоял головокружительный максимум в 149 ньютонов – в 39 тысяч раз больше собственного веса.

Чтобы изучить природу экзоскелета, наделяющего жуков такой стойкостью к нагрузкам, исследователи использовали несколько методов: спектроскопию, растровую электронную микроскопию и компьютерную томографию. Кроме того, на основе полученных данных они создали 3D-модели жука, чтобы подтвердить результаты практических экспериментов в симуляциях. Общая архитектура и состав экзоскелета Phloeodes diabolicus играют немалую роль в стойкости жука. Как и у других насекомых, экзоскелет дьявольского железного жука состоит из хитина – волокнистого материала, который всегда находится в комплексе с различными полисахаридами и белками, во многом определяющими его характеристики. Исследуя экзоскелет дьявольского жука, учёные обнаружили, что в нём содержится примерно на 10% больше белков, чем у его родственных видов.

Однако главный секрет жука Phloeodes diabolicus кроется в надкрыльях или элитрах. У летающих видов элитры защищают крылья от повреждений, однако у жуков с редуцированными крыльями они могут срастаться. В случае дьявольского жука этот процесс зашёл так далеко, что в месте сращения двух надкрыльев образовался мощный шов, объединивший две элитры в одно целое. Они связаны между собой структурами, напоминающими фрагменты пазла. Изучая эти «пазлы» под нагрузкой, учёные заметили ещё одну любопытную особенность. Вместо того, чтобы просто рассыпаться на части, пластины экзоскелета претерпевают множество параллельных разломов на микроскопическом уровне. Из-за них надкрылья расслаиваются, но не сдаются. Это возможно благодаря покрытию из микроскопических волосков – микротрихий, которые усиливают трение между пластинами и не позволяют им «расползтись». Как следствие, деформация надкрыльев вида Phloeodes diabolicus происходит более мягко с распространением энергии нагрузки по площади всего экзоскелета.

По мнению учёных, данное открытие может проложить путь к развитию инновационных сверхпрочных материалов. Подобные технологии имели бы невероятно широкий спектр применения. В частности, исследователи уже попробовали создать авиационные крепежи для двигателей из углеродного волокна, имитируя мозаичную структуру надкрыльев дьявольского жука. После нескольких испытаний они обнаружили, что усовершенствованные крепежи выдерживали ту же нагрузку, что и стандартные, однако обладали более высокой износостойкостью. Идея активной инженерии заключается в осуществлении экспериментов по расширению функционала привычных материалов, и дьявольский жук Phloeodes diabolicus определённо может предложить людям парочку любопытных стратегий.