Een Millimeter schaal buigsterkte testsysteem voor het meten van de mechanische eigenschappen van mariene spons botsplinters

Summary

Presenteren we een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven op sub millimeter schaal vezels met behulp van een custom-built mechanische beproevingstoestel. Het apparaat kan meten krachten variërend van 20 µN tot 10 N en is daarom geschikt voor een verscheidenheid van grootte van de vezels.

Abstract

Veel laden rekening houdend met biologische structuren (LBBSs) — zoals veer rachises en botsplinters — zijn klein (< 1 mm) maar niet microscopische. Het meten van de buigsterkte gedrag van deze LBBSs is belangrijk voor het begrijpen van de oorsprong van hun opvallende mechanische functies.

We beschrijven een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven met behulp van een custom-built mechanische testen apparaat dat kan meten dwingt variërend van 10^-5 tot 10¹ N en verplaatsingen variërend van 10^-7 tot 10^-2 m. Het belangrijkste voordeel van dit mechanische testen apparaat is dat de kracht en de verplaatsing capaciteit gemakkelijk kunnen worden aangepast voor verschillende LBBSs. Het werkingsprincipe van het apparaat is vergelijkbaar met die van een atomic force microscope. Namelijk, kracht wordt toegepast op de LBBS door de punt van een belasting die is gekoppeld aan het einde van een cantilever. De verplaatsing van lading punt wordt gemeten door een sensor fiber optic verplaatsing en omgezet in een kracht met behulp van de gemeten cantilever stijfheid. Van het apparaat kracht bereik kan worden aangepast met behulp van de uitkragingen van verschillende stiffnesses.

Van het apparaat mogelijkheden worden gedemonstreerd door het verrichten van drie-punt buigende proeven op het skelet elementen van de mariene spons Euplectella Wijwaterkwast. De skelet elementen — bekend als botsplinters — silica-vezels die ongeveer 50 µm in diameter zijn zijn. We beschrijven de procedures voor het kalibreren van het mechanische beproevingstoestel, de botsplinters montage op een drie-punt buigende armatuur met een spanwijdte van ≈1.3 mm en uitvoeren van een buigen test. De kracht uitgeoefend op de spicule en de uitwijking op de locatie van de toegepaste kracht worden gemeten.

Introduction

Door het bestuderen van de platforms van dragende biologische structuren (LBBSs), zoals shell en bot, hebben de ingenieurs ontwikkeld nieuwe samengestelde materialen die zowel sterk en taai ¹. Het is aangetoond dat de opmerkelijke mechanische eigenschappen van LBBSs en hun tegenhangers bio-geïnspireerde zijn gerelateerd aan hun ingewikkelde interne platforms ². De relaties tussen LBBS platforms en mechanische eigenschappen worden echter niet volledig begrepen. Het meten van de mechanische reactie van een LBBS is de eerste stap naar inzicht in hoe de architectuur verbetert de mechanische eigenschappen.

Protocol

1. montage en uitlijning

1. Kies een cantilever wier stijfheid geschikt voor het beoogde experiment is. De LP hechten aan de uitkraging met behulp van #4-40 cap binnenzeskantbouten (SHCSs) (Zie Figuur 3 A). Zorg om geen plastisch vervormt de cantilever armen terwijl het koppelen van de LP.

Figuur 3: Procedure voor het samenstellen van de uitkraging kracht sensor en meten zijn stijfheid. (A)....

Results

De meest elementaire uitgangen van enige mechanische test zijn de omvang van de kracht toegepast op het model en de verplaatsing op de locatie waar de kracht wordt uitgeoefend. In het geval van een drie-punt buigende test, het doel is het verkrijgen van de omvang van de kracht die door de LPT-, , en de verplaatsing van het specimen dwarsdoorsnede onder de LPT-in de

Discussion

Verschillende stappen van het protocol zijn bijzonder belangrijk om ervoor te zorgen dat krachten en verplaatsingen nauwkeurig worden gemeten. Terwijl sommige van deze kritische stappen universeel voor alle drie-punt buigende tests zijn, zijn anderen uniek voor deze mechanische beproevingstoestel.

In stap 1.2 van het protocol de LP spiegel wordt gereinigd en geïnspecteerd op krassen en in stap 1.6 van het protocol wordt de winst van de FODS is ingesteld. Het i.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard	TMC	63-563	Isolation Table
Diffeential Screw Adjuster	Thorlabs	DAS110	For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations	Thorlabs	150-801ME	For stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes	Thorlabs	PT102	For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps	Thorlabs	DT25	For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps	Thorlabs	PT1B	For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail	Edmund Optics	54-401	For microscope mount
2.5" Width, Dovetail Carrier	Edmund Optics	54-404	For microscope mount
0.5" Width, Dovetail Carrier	Edmund Optics	54-403	For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20	Edmund Optics	57-788	Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube	Edmund Optics	56-126	Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27)	Edmund Optics	53-787	Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope Objective	Edmund Optics	55-790	Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6	Edmund Optics	38-944	Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide	Edmund Optics	42-347	Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder	Edmund Optics	55-718	Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera	Edmund Optics	88-452	Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike	Edmund Optics	68-586	Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation Stage	Thorlabs	MS1S	FODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor	Philtec	D20	FODS
30V, 3A DC Power Supply	Agilent	U8001A	Power supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ	National Instruments	USB-6009	DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation Stage	Thorlabs	Thorlabs T25 XYZ-E/M	Translation stage
T-Cube DC Servo Motor Controller	Thorlabs	TDC001	Motor controller for stage
T-Cube Power Supply	Thorlabs	TPS001	Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	National Instruments		Used for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)	National Instruments		Used for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body	MVI	MDA96000	Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider	MVI	MDB45305	Polarized light microscope
Nikon Dia-Polarizer	MVI	MDN11920	Polarized light microscope
Power Cord - 7'6"	MVI	79035	Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical Stage	MVI	MDC45000	Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat Condenser	MVI	MBL16100	Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD	MVI	MBP60125	Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube F	MVI	MBB93100	Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC	MVI	MAK10110	Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective	MVI	MUE42100	Polarized light microscope
Venus Flower Basket Sponge	Denis Brand	N/A	Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier	McMaster Carr	1490T5	Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100>	Ted Pella	16011	Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton Swab	McMaster Carr	71035T31	Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knife	McMaster Carr	35575A68	Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm	Ted Pella	260409	Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L	Ted Pella	11806	Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish	Ted Pella	5367-5NM	Used for handling spicules
Dual Axis Linear Scale Micrometer	Edmund Optics	58-608	Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS	ESD Plastic Containers	FT-38-CAS	Used for storing spicules
Plastic Vial Bullseye Level	McMaster Carr	2147A11	Used for leveling the stage
Analytical Balance	Mettler Toledo	MS105DU	Used to mass calibration weights