AFM Identification of Beetle Exocuticle: Bouligand Structure and Nanofiber Anisotropic Elastic Properties

材料科学 复合材料 表征(材料科学) 节肢动物角质层 纳米压痕 各向异性 纤维 纳米纤维 纳米尺度 分层(地质) 弹性体 纳米技术 光学 物理 生物 古生物学 构造学 俯冲 昆虫 生态学
作者
Ruiguo Yang,Alireza Zaheri,Wei Gao,Cheryl Y. Hayashi,Horacio D. Espinosa
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:27 (6) 被引量:101
标识
DOI:10.1002/adfm.201603993
摘要

One of the common architectures in natural materials is the helicoidal (Bouligand) structure, where fiber layers twist around a helical screw. Despite the many studies that have shown the existence of Bouligand structures, methods for nanoscale structural characterization and identification of fiber mechanical properties remain to be developed. In this study, we used the exocuticle of Cotinis mutabilis (a beetle in the Cetoniinae) as a model material to develop a new experimental‐theoretical methodology that combines atomic force microscopy‐based nanoindentation and anisotropic contact mechanics analysis. Using such methodology, we studied both the helicoidal structure and the mechanical properties of its constituent fibers. The twist angle between the layers was found to be in the range of 12°–18° with a pitch size of 220 nm for the helicoidal pattern. In addition, the constituent fiber diameter was measured to be approximately 20 nm, which is consistent with the fiber diameters found in helicoids of other arthropod species. The longitudinal, transverse, and shear modulus of the nanofiber were determined to be 710 MPa, 70 MPa, and 90 MPa, respectively. The established experimental‐theoretical methodology promises to be a useful tool for nanoscale characterization of helicoidal and other structures found in biological materials.
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