توصيف قشور السمك متعدد الطبقات (

الهدف العام من هذا الإجراء هو تحديد البنية والكيمياء والخصائص الميكانيكية لقشور الأسماك المعدنية متعددة الطبقات عن طريق إجراء التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية، والتحسس النانوي، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورير، والمجهر الإلكتروني الماسح المقترن بمطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تحضير القشور الفردية للتحليل عن طريق إزالة الأنسجة الرخوة من القشور، ثم تثبيت القشور وتقطيعها، وإجراء عملية تلميع تدريجية. وتتمثل الخطوة الثانية في إجراء تحسس نانوي مرتبط مكانياً على طول المقطع العرضي للقشرة باستخدام رأس بيركوفيتش الماسي لتحديد الخصائص الميكانيكية النانوية المحلية.

بعد ذلك، يتم فحص الطبقات الداخلية والخارجية لحراشف الأسماك باستخدام مجهر FTIR لتحديد المجموعات الوظيفية الرئيسية في كل طبقة. وتتمثل الخطوة النهائية في استخدام كاشف EDX في المجهر الإلكتروني الماسح لربط التركيب الكيميائي الموضعي بالانبعاجات النانوية التي أُحدثت في حراشف الأسماك، والتقاط صور لهذه الانبعاجات في الطبقات المختلفة وأسطح الكسر. وفي النهاية، ومن خلال الجمع بين هذه التقنيات التجريبية المتنوعة، يتم توضيح مبادئ التصميم الطبيعية لحراشف الأسماك الممعدنة عبر فهم العلاقات بين البنية والخواص.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بطرق الاختبار الحالية الأخرى، مثل المسح الإحصائي الكلي للبعج النانوي، في أنها توفر ارتباطًا مباشرًا بين بنية التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية الموضعية. وقد طبقنا هذه الطريقة في المناطق ذات الأهمية لدراسة التوزيع المكاني وبنية التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية في المواد الحيوية التركيبية. كما أن لها تطبيقات عديدة تشمل المواد القائمة على الأسمنت، والمركبات متعددة الأطوار، وأي نوع من المواد غير المتجانسة التي تظهر هذا التباين على مقياس الطول الميكرومتري والنانومتري.

لفحص مقطع عرضي للمحور القصير لحرشفة سمكة، يتم تثبيت الحرشفة في قالب عينات بقطر 32 مليمتر، باستخدام حامل عينات بلاستيكي متوفر تجارياً للحفاظ على توجيه العينة بشكل صحيح أثناء التثبيت في الإيبوكسي. وبمجرد تثبيت العينة في القالب، يُصب الإيبوكسي غير المتصلب فوق العينة. وبعد ترك الإيبوكسي ليتصلب وفقاً لتعليمات الشركة المصنعة، يتم تقطيع العينة المثبتة باستخدام منشار قطع عالي الدقة ذو شفرة ماسية عند الخط المتوسط للعينة.

بمجرد تحميل العينة في جهاز nano-indenter، استخدم عناصر التحكم في البرنامج لنقل العينة إلى موقع المسافة البادئة الأولى، ثم قم بإجراء أربعة صفوف متوازية من المسافات البادئة المتباعدة بمقدار 15 micrometers للحصول على مجموعة بيانات ذات دلالة إحصائية بدءاً من هذا الموقع. بعد ذلك، اضبط جهاز nano-indenter على حمل أقصى قدره 5 millinewtons، ومعدلات تحميل وتفريغ تبلغ 0.1 millinewtons per second، ووقت كلي قدره 30 seconds، وأدنى تباعد بين المسافات البادئة قدره 5 micrometers لكل صف. عند اكتمال الدفعة، استخدم جهاز nano-indenter لإنشاء مسافات بادئة مرجعية بحمل أقصى قدره 100 millinewtons عند المسافة البادئة الأولى والأخيرة، واللتين يجب أن تكونا في الإيبوكسي قبل طبقة anoe وبعد طبقة العظم على التوالي.

بعد إجراء التثقيب النانوي، ضع العينة مرة أخرى في محلول PBS لتجنب المزيد من الجفاف. قم بتثبيت العينة بإحكام بحيث يكون البعد الأطول موازياً للكاشف. بعد إعداد الماسح الضوئي، قم بتثبيت العينة المثبتة على منصة الماسح باستخدام مواد شفافة للأشعة السينية مثل البوليسترين والبارافورم.

قم بوضع العينة بحيث تكون في مركز الدوران. اختر خلال عملية المسح أعلى دقة تسمح بظهور المقياس بالكامل في مجال الرؤية، وهي في هذه الحالة 7.5 micrometers. بعد الحصول على البيانات، قم بإعادة بناء صور الإسقاط بالأشعة السينية لإنشاء مجموعة بيانات تحتوي على صور للمقاطع العرضية.

بعد ذلك، استخدم البرنامج للحصول على الصورة النهائية ثلاثية الأبعاد بالتدرج الرمادي. قم بتعديل نطاق التدرج الرمادي إلى مستوى مناسب لإزالة الشوائب الناتجة عن البوليسترين والبارافورم. ولتصوير المسننات النانوية على العينة المصقولة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، قم بتثبيت العينة على قاعدة SEM باستخدام شريط كربوني مزدوج الوجه مع توجيه السطح الذي يحتوي على المسننات للأعلى. بعد ذلك، ضع العينة في غرفة SEM وقم بتفريغ الغرفة للوصول إلى وضع الفراغ المنخفض.

اضبط مسافة العمل لتكون بين 3.0 و 5.0 مليمتر. قم بتفعيل الجهد العالي وانتقل إلى المناطق ذات الأهمية في العينة، والتي تتمثل في هذه الحالة في الهياكل الموجودة في طبقات الأنسجة والعظام. ثم التقط صوراً بجهد عالٍ يتراوح بين 5 kilovolts و 15 kilovolts وتيار شعاع منخفض قدره 3.9 nano amps.

لتحسين الدقة، التقط صوراً من ثلاث مناطق اهتمام على الأقل بتكبيرات تتراوح من 250x إلى 10,000x باستخدام كاشف الإلكترونات المرتدة BSE في وضع الفراغ المنخفض، وذلك للمساعدة في تحديد التغيرات في محتوى وكثافة المعادن الحيوية. بعد ذلك، انتقل إلى منطقة اهتمام في العينة المصقولة تتضمن شبكة مسامير نانوية (nano indentation grid) مشار إليها بعلامات مرجعية عند نهاية كل خط من المسامير. تأكد من أن الجهد العالي لا يقل عن 15 kilovolts.

يبلغ تيار الحزمة 3.9 nano amps على الأقل، وتزيد مسافة العمل عن 5.0 millimeters. بعد ذلك، يتم التقاط صورة الإلكترونات المرتدة للمنطقة المراد تحليلها باستخدام EDX، وذلك بالاستعانة ببرنامج تحليل EDX.

التقط الصورة نفسها للمساعدة في تحديد المناطق التي سيتم إجراء التحليل الكيميائي فيها على طول خط الانبعاجات. بعد ذلك، وباستخدام تقنية تحليل الخط، قم بتحديد وضع الخط لإجراء التحليل الكيميائي على طول خط الانبعاجات المطلوب، بدءاً من الانبعاج الأول وانتهاءً بالانبعاج الأخير. حدد عدد نقاط التحليل التي سيتم وضعها على طول الخط بحيث يكون مساوياً لعدد الانبعاجات الموجودة، وذلك لتوفير ارتباط مكاني مباشر بين التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية.

عندما يتم وضع الخط وتحديد النقاط بشكل صحيح، ابدأ تحليل الخط باستخدام برنامج EDX، ثم تابع الإجراءات بعد اكتمال تحليل الخط. حدد العناصر المراد قياسها كمياً من أطياف النقاط التي تم الحصول عليها على طول الخط المحدد على السطح المصقول للعينة.

بمجرد تحديد العناصر ذات الأهمية، قم بإجراء معايرة للخلفية لتعويض إشعاع الكبح (bremsstrahlung) والتأثيرات الأخرى. اختر خيار تحليل فك الالتفاف (deconvolution analysis) في البرنامج للحصول على تحليل كمي لكل نقطة على طول الخط المحدد لتقدير التركيب الكيميائي عند كل نقطة. أخيرًا، احفظ نتائج التحليل الكيميائي الكمي جنبًا إلى جنب مع صورة الخط المحدد الذي تم تحليله للمساعدة في الارتباط المكاني مع الخواص الميكانيكية المقاسة باستخدام المسننات النانوية (nanoindentation) في طبقة anoe؛ حيث حسبت المسننات النانوية متوسط معامل مرونة قدره 69.0 giga pascals وصلادة قدرها 3.3 giga Pascals.

حدد قياس الصلابة النانوية متوسط معامل مرونة قدره 14.3 giga pascals وصلادة قدرها 0.5 giga pascals لطبقة العظم. تحتوي طبقة anoe وطبقة العظم على اختلافات قابلة للقياس في التركيب الكيميائي. ويمكن أن يُعزى ارتفاع نسبة الكربون في طبقة العظم إلى انخفاض التمعدن، مما يؤدي إلى زيادة الكربون وانخفاض سطوع صورة BSE. وتظهر أطياف FTIR لطبقتي العظم وENE بصمات الهيدروكسي أباتيت في طبقة gwe الخارجية وبصمات الكولاجين في طبقة العظم الداخلية.

يُظهر التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية أن طبقة gwe لا تغطي طبقة العظم في المناطق التي تتداخل فيها الحراشف. وتعد طبقات gwe ذات اللون الرمادي الفاتح أكثر كثافة وصلابة وتيبساً، بينما تكون طبقات العظم ذات اللون الرمادي الداكن أقل كثافة وأقل تيبساً. كما لوحظ وجود حفر واضحة بالقرب من مركز طبقة ging، مما يدل على عدم تجانسها.

كشفت صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ذات التكبير المنخفض لسطح الكسر المحفور عن وجود هياكل نانوية منظمة في نمط طبقي لطبقة الغنغليون (ging layer)، وهو ما يتوافق مع نتائج تحليل FTIR. وتظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ذات التكبير الأعلى لسطح الكسر المحفور قضبان نانوية موجهة في طبقة الغنغليون (ging layer)، بينما لوحظ وجود هيكل نانوي شبيه بالألياف في طبقة العظم بعد تطوره. وقد مهدت هذه التقنية الطريق لإجراء المزيد من الأبحاث حول المواد الحيوية والمواد المركبة لدراسة التوزيع المكاني للتركيب الكيميائي والبنية والخواص الميكانيكية، وكذلك فحص الواجهات البينية في المواد المركبة متعددة الأطوار. حسناً، بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تحضير العينات وإجراء التحليلات لربط التركيب الكيميائي مكانياً مع البنية والخواص الميكانيكية في المواد الحيوية الهيكلية.

تعد هذه التقنيات قابلة للتطبيق والتطويع أيضاً لدراسة أنواع أخرى من المواد غير المتجانسة متعددة الأطوار.