Nahezu unzerstörbare Käfer

Wer hierzulande versehentlich auf einen Käfer am Boden tritt, zerstört meistens dessen Panzer. Doch eine amerikanische Käferart kann sich deutlich besser schützen und überlebt selbst das Überfahren von einem Auto. Verantwortlich dafür ist das besonders stabile Exoskelett, das Materialforscher nun näher untersuchten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnte die besondere Struktur zukünftig sogar als Vorbild für leichtere und stabilere Werkstoffe etwa im Flugzeugbau dienen.

Der Käfer der Art Phloeodes diabolicus ist nur etwa zwei Zentimeter lang, kann nicht fliegen und seine englische Bezeichnung „Diabolical Ironclad Beetle“ lässt sich am besten mit „Teuflischer Eisenkäfer“ übersetzen. Wie stark sich das Exoskelett dieses Käfers wirklich belasten lässt, untersuchten nun David Kisailus von der University of California in Irvine und seine Kollegen. Erst ab einer punktuellen Belastung von 149 Newton – also unter dem Druck einer Masse von etwa 15 Kilogramm – gab der Panzer nach und zerbrach. Das entspricht dem 39 000-fachen des Körpergewichts des Käfers. Diese ungewöhnliche Stabilität analysierten die Forscher daraufhin mit vielfältigen Methoden im Detail.

Detailaufnahme des Panzers

Allein mit der chemischen Zusammensetzung der harten Deckflügel aus Chitin und Proteinen ließ sich die Stabilität nicht erklären. Denn diese ähnelt der von deutlich weniger widerstandsfähigen Käfern. Dafür zeigte die Struktur der Deckflügel viele ungewöhnliche Details: So sind die beiden Deckflügel des Käfers – wie die Teile eines Puzzles – stabil miteinander verknüpft. Detaillierte Röntgenbilder mit mikroskopischer Auflösung zeigten Kisailus und seinen Kollegen den vielschichtigen Aufbau der Deckflügel. Wurden die mikroskopisch dünnen Schichten belastet, verschoben sie sich etwas gegeneinander und verhinderten so das Zerbrechen des Panzers.

Abschließend ahmten die Forscher die Mikrostruktur mit zwei Werkstücken – das eine aus Aluminium, das andere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff – nach. Erste Versuche zeigten, dass der bionisch inspirierte Werkstoff sogar stabiler war als bislang in der Industrie genutzte Verbindungen. „Diese Studie vereint Biologie, Physik, Mechanik und Materialforschung miteinander“, so Kisailus. Zukünftig könnte die besondere Stabilität der Käfer, so Kisailus und seine Kollegen, sogar als Vorbild für neue Faserwerkstoffe im Flugzeugbau dienen.