La microestructura que se encuentra en el exoesqueleto del escarabajo contribuye al color y la resistor al daño

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Los escarabajos son criaturas con armadura incorporada. Son tanques diminutos cubiertos de conchas duras, también conocidas como exoesqueletos, que protegen sus cuerpos esqueléticos blandos en el interior. Además de brindar protección blindada, el exoesqueleto del escarabajo ofrece funciones como retroalimentación sensorial y control de hidratación. En particular, los exoesqueletos de muchos escarabajos también tienen patrones y colores brillantes, lo que mejora la comunicación visual con otros escarabajos y organismos.

Ling Li, investigador principal y profesor asistente de ingeniería mecánica, se unió a colegas de otras seis universidades para estudiar la interacción entre el rendimiento mecánico y óptico en los exoesqueletos de escarabajos. Descubrieron que las estructuras que brindan soporte mecánico también son actores clave en el marco óptico. Sus hallazgos fueron publicados en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

El equipo se reunió para responder preguntas sobre cómo el material exoesquelético logra simultáneamente funciones ópticas y mecánicas notables y qué función domina el diseño estructural a escalas nanométricas y micrométricas.

Su atención se redujo a una especie específica: el escarabajo de las flores. Este pequeño escarabajo vive en las selvas tropicales del sudeste asiático y es conocido por mostrar colores brillantes, que van desde el azul profundo al verde, naranja y rojo. Estas coloridas conchas están compuestas por 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 comenzaron su investigación conociendo la composición del caparazón de un escarabajo: su capa externa de exocutícula contiene una microestructura única que tiene solo 1/30 de milímetro de espesor. Su composición es una pila de capas de nanoescala horizontales insertadas con pilares de microescala verticales, que proporcionan al exoesqueleto coloración óptica y resistencia mecánica al mismo tiempo.

A diferencia de los tintes a base de pigmentos, la apariencia óptica del escarabajo de las flores se deriva de la microestructura del exoesqueleto. La región nanoestratificada consta de dos composiciones de materiales alternas, que reflejan selectivamente la luz de ciertos colores. Este fenómeno se llama 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 azul iridiscente en sus conchas a través de una microestructura multicapa similar de la calcita mineral, el mismo material que se encuentra en el yeso.

Además de proporcionar coloración, el caparazón exoesquelético de los escarabajos debe ser fuerte y tolerante al daño, explicó Li. El escarabajo de las flores logra esto reforzando los micro pilares verticales de su caparazón. Cuando se perfora la microestructura, los micropilares del caparazón mantienen un sello alrededor del sitio de punción. Esto evita que el ala del escarabajo se desgarre, rompa o se deslamine. Los micro pilares también son capaces de saltar hacia atrás, reduciendo así el tamaño del sitio de daño del intruso del objeto entrante después de la descarga.

Micro pilares con múltiples trabajos

Sabiendo que las funciones mecánicas y ópticas estaban vinculadas, el equipo trató de averiguar cuál de las dos era la principal.

Trabajando 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 micro pilares, al tiempo que reduce cierto grado de reflexión óptica, puede redistribuir la luz reflejada en un rango angular mayor. Esto contribuye a la capacidad del escarabajo de “enviar” señales ópticas a sus receptores potenciales.

Al mismo tiempo, mecánicamente, la presencia de micropilares aumenta la rigidez, resistencia y resistencia mecánica de la estructura al evitar la formación de bandas de cizallamiento, mejorando la resistencia al daño de la capa exterior y localizando el daño en el exoesqueleto.

Después de comprender los mecanismos básicos para la tinción óptica y el refuerzo mecánico, Li y su equipo investigaron cómo la disposición y el tamaño de los micropilares de un exoesqueleto afectan a ambos factores.

Descubrieron que era necesario encontrar un equilibrio: si hubiera muchos micro pilares, se mejoraría la resistencia mecánica, explicó Li. Sin embargo, esto degradaría el color estructural, ya que se reduciría el porcentaje de área de la multicapa horizontal.

El objetivo final era determinar qué propiedad, óptica o mecánica, se optimiza más cuando la evolución “diseña” la microestructura. Para responder a esta pregunta, el equipo analizó la microestructura de los escarabajos de las flores del mismo grupo de especies, pero con diferentes colores.

La función óptica ha ganado. Descubrieron que el tamaño y la distribución de los micro pilares en los escarabajos de diferentes colores se optimizaron de hecho para lograr la redistribución de luz más eficiente. La mejora de las propiedades mecánicas, en particular de la rigidez, no pareció optimizarse, ya que la microestructura no estaba totalmente cubierta por los micropilares más rígidos y resistentes. Este resultado indicó que el rendimiento óptico tuvo prioridad sobre el rendimiento mecánico durante la evolución de esta estructura única de múltiples capas y micropilares.

“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 basado en materiales, óptica, mecánica y biología también ofrece una vía importante para comprender la evolución de algunos materiales. “

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