Durchführung von Y-förmigen Schneidtests unter dem Mikroskop

Y-förmiges Schneiden misst die Ausfallenergie und eine kritische Oberflächenerzeugungs-Verbindungsskala in weichen Festkörpern. Die Integration dieser Technik in ein Mikroskop erleichtert es, die mikrostrukturellen Mechanismen zu entschlüsseln, die diese Größen steuern. Im Gegensatz zu dem großen gepflanzten Riss, der für die Vorderradbelastung typisch ist, verwendet dieses Protokoll eine platteninduzierte Dehnungslokalisierung, um das Sichtfeld zu reduzieren, das für die Abbildung des inneren Versagensprozesses erforderlich ist.

Der Ansatz kann Aufschluss über das Versagen von weichen synthetischen Materialien und biologischem Weichgewebe geben. Ersetzen Sie zunächst den originalen Objektträgerhalter durch einen benutzerdefinierten Probenhalter und befestigen Sie die Baugruppe am Mikroskop. Stellen Sie den Winkel des Bechers ein, indem Sie die Rändelschraube lösen und dann den linearen Schlitten bewegen.

Stellen Sie den Winkel ein, nachdem Sie ihn mit einem Winkelmesser gemessen haben, und ziehen Sie die Rändelschraube fest. Der Winkel zwischen dem Bein und dem Theta der Probenmitte kann von 8 bis 45 Grad eingestellt werden. Stellen Sie die beiden vertikalen Riemenscheiben hinter der Apparatur auf.

Bereiten Sie eine dünne rechteckige Probe von Polydimethylsiloxan oder PDMS vor, indem Sie sie entweder von einem größeren Blatt schneiden oder eine Form mit den richtigen Abmessungen verwenden. Die Abmessungen können variieren, aber eine Breite von 1 1/2 Zentimeter oder weniger für eine Probe mit einer Dicke von drei Millimetern oder weniger wird empfohlen. Verwenden Sie eine Rasierklinge, um die Probe drei Zentimeter längs entlang der Mittellinie zu schneiden, um die Y-förmige Probe zu erzeugen.

Diese Verbindung kann variieren, aber die Beine sollten lang genug sein, um die Laschen aufzunehmen, aber kurz genug, um eine ungeschnittene Probe für die Messung zu lassen. Platzieren Sie mit einem Marker oder einer Tinte zwei Markierungen zentriert und etwa einen Zentimeter voneinander entfernt auf jedem der dünnen Beine und dem Körper der Probe, um die aufgetragene Dehnung in jedem der drei Probenbeine unter Last zu messen. Verwenden Sie klebstoffartigen Cyanacrylat-Kleber, um eine 3D-gedruckte oder lasergeschnittene Lasche am Ende jedes Beines zu befestigen.

Messen und schneiden Sie zwei Längen dünner Angelschnur. Etwa 30 Zentimeter Leine werden für die interne Führung durch den Mechanismus zu den externen Riemenscheiben benötigt. Befestigen Sie Fünf-Gramm-Wägeplatten am Ende der Leitungen, die durch die äußeren Riemenscheiben verlaufen, und binden Sie das andere Ende an die Lasche an jedem Bein.

Klemmen Sie die Basis der Probe mit der Rändelschraube des Probenhalters und führen Sie die Leitung für jedes Bein durch jede Seite des Riemenscheibensystems. Machen Sie ein Foto der Probe von oben, während die Probe unter vernachlässigbarem Gewicht ist, indem Sie eine Kamera an die Unterseite des Winkelverstellmechanismus halten. Stellen Sie sicher, dass sich die Kamera parallel zur Sample-Ebene befindet, um Winkelverzerrungen zu minimieren.

Fügen Sie das gewünschte Vorspanngewicht von 75 Gramm an beiden Enden der Angelschnur in der Nähe der äußeren Riemenscheiben hinzu. Erhöhen Sie diese Menge auf 150 Gramm oder verringern Sie sie auf 50 Gramm, um den Reißanteil zu ändern, wenn dies für diese Kombination aus Material und Probengeometrie gewünscht wird. Richten Sie die Angelschnur von der untersten Riemenscheibe mit der Z-Ebene der Probenbeine aus, indem Sie die Z-Komponente der Drei-Wege-Mikrojustierstufe verwenden.

Machen Sie ein zweites Bild der Probe, nachdem das Gewicht hinzugefügt wurde. Positionieren Sie die erwartete Blattspitze ungefähr in der Nähe des Sichtfelds des Objektivs. Setzen Sie die Rasierklinge in den entsprechenden Klingenclip ein und fixieren Sie die Klinge mit einer Stellschraube.

Schieben Sie diese geclippte Rasierklinge in die Klingencliphalterung, die an der Wägezelle befestigt ist. Wählen Sie das 2,5-fache Mikroskopobjektiv oder bis zu 20-fach, wenn nähere Bilder gewünscht werden, und verwenden Sie die Durchlichteinstellung, um das Licht hinter der Probe bei Bedarf zu verstärken. Wenn die Klinge an Ort und Stelle ist, fokussieren Sie das Mikroskop auf die nächstgelegene Oberfläche der Klinge und verwenden Sie bei Bedarf das vertikale Verstellsystem, um die Spitze auf den geeigneten Arbeitsabstand für das Objektiv zu bringen.

Richten Sie die Rasierklinge vorsichtig im Sichtfeld des Mikroskops aus, indem Sie nur die X- und Y-Richtung der Drei-Wege-Mikrojustierstufe verwenden. Fokussieren Sie das Mikroskop auf die Probe und richten Sie die Rissspitze mit der Rasierklinge aus, indem Sie den X/Y-Tisch des Mikroskops verschieben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Mittelebene der Probe mit der Mittelebene des Winkelanpassungsmechanismus übereinstimmt.

Öffnen Sie den Code, der für die Wägezellendatenerfassung verwendet wurde, und starten Sie die Aufzeichnung der Wägezellendaten, indem Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnung starten klicken. Verschieben Sie die Probe mit der Mikroskoptischsteuerung für einen Zentimeter oder mehr mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung Rasierklinge. Erfassen Sie gleichzeitig Bilder mit der Bildgebungsschnittstelle des Mikroskops.

Wenn der X/Y-Tisch des Mikroskops anhält, klicken Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnung stoppen, um die Aufzeichnung der Daten zu beenden und automatisch eine Textdatei der Last- und Zeitantwort zu speichern. Die Kraft-Zeit-Kurve für Polydimethylsiloxan mit einer ultrascharfen Klinge ist hier dargestellt. Die elastischen Belastungs-, Schnittinitiierungs-, stationären Schnitt- und Entlastungsbereiche der Kurve sind im Diagramm beschriftet.

Diese Daten zeigen eine hohe Anfangskraft, wie sie typischerweise für den Schnittbeginn erforderlich ist, gefolgt von einer konstanten Kraft, die auf ein stationäres Schneiden hinweist. Die Schnittkraft ist der Maximalwert der Kraft innerhalb dieses stationären Regimes. Die hier gezeigten roten Kreise entsprechen bestimmten Bildern, die mit dem Mikroskop aufgenommen wurden.

Ein gelber Kreis wurde hinzugefügt, um die Beobachtung der Speckle-Musterbewegung zu erleichtern, und diese Zahlen geben Bildzeitstempel und Sekunden an. Die gemessene stationäre Schnittkraft in Kombination mit den experimentellen Prüfparametern Beinwinkel Theta, Probendicke T, Vorspannung f von Vorspannung und Messerradius ergibt die stationäre Schnittenergie gemäß der gezeigten Gleichung. Hier gelingt es uns, die zuvor in der Literatur beschriebene Schnittenergie für diese Bedingungen zu replizieren.

Durch die Integration von Y-förmigem Schneiden in ein Mikroskop ermöglichen wir die Quantifizierung von mikrostrukturellen Beiträgen zum Versagen von Weich-Festkörpern und Weichgewebe durch Fluoreszenzsonden, Autofluoreszenz und Vollfeldstärketechniken.