Un milímetro a la flexión prueba sistema de la escala para medir las propiedades mecánicas de espículas de esponja marina

Summary

Presentamos un protocolo para la realización de pruebas de flexión de tres puntos en las fibras de escala submilimétrica utilizando un dispositivo mecánico a la medida. El aparato puede medir las fuerzas que van desde 20 µN hasta 10 N y por lo tanto puede acomodar una variedad de tamaños de fibra.

Abstract

Muchos cargan teniendo estructuras biológicas (LBBSs) — como estimará pluma y espículas, son pequeños (< 1 mm) pero no microscópica. Medir el comportamiento a la flexión de estos LBBSs es importante para comprender los orígenes de sus notables funciones mecánicas.

Se describe un protocolo para realizar pruebas de flexión de tres puntos mediante un dispositivo mecánico de prueba a la medida que puede medir fuerzas hasta de 10^-5 10¹ N y desplazamientos que van desde 10^-7 10^-2 m. La principal ventaja de este dispositivo mecánico de prueba es que las capacidades de fuerza y el desplazamiento se pueden ajustar fácilmente para diferentes LBBSs. Principio de funcionamiento del dispositivo es similar a la de un microscopio de fuerza atómica. Es decir, la fuerza se aplica a la LBBS por un punto de carga que se adjunta al final de un cantilever. El desplazamiento del punto de carga es medido por un sensor de desplazamiento óptico de fibra y convertido en una fuerza con la rigidez de la medida del voladizo. Gama de fuerza del dispositivo se puede ajustar mediante el uso de voladizos de diferentes rigideces.

Se demuestran las capacidades del dispositivo mediante la realización de pruebas de flexión de tres puntos en los elementos esqueléticos de la esponja marina Euplectella aspergillum. Los elementos esqueléticos — conocidos como espículas, son fibras de sílice que son aproximadamente de 50 μm de diámetro. Se describen los procedimientos para calibrar el dispositivo de pruebas mecánico, montaje de las espículas en un accesorio de flexión de tres puntos con un palmo de ≈1.3 mm, y realizar una flexión prueba. Se mide la fuerza aplicada a la Espícula y su desviación en la ubicación de la fuerza aplicada.

Introduction

Mediante el estudio de las arquitecturas de estructuras biológicas (LBBSs), como la cáscara y el hueso de soporte de carga, los ingenieros han desarrollado nuevos materiales compuestos que son fuertes y duros ¹. Se ha demostrado que las propiedades mecánicas notables de LBBSs y sus contrapartes bio-inspirados están relacionados con sus intrincadas arquitecturas internas ². Sin embargo, las relaciones entre arquitecturas LBBS y propiedades mecánicas no se entienden completamente. Medición de respuesta mecánica de un LBBS es el primer paso hacia la comprensión de cómo la arquitectura mejora sus propiedades mecánicas.

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Protocol

1. montaje y alineación

1. elegir un voladizo cuya rigidez es apropiado para el experimento previsto. Coloque el LP en voladizo mediante #4-40 tornillos de cabeza hueca (SHCSs) (ver figura 3 A). Tenga cuidado de no plásticamente deformar los brazos de cantilever mientras colocar el LP.

figura 3: procedimiento para el montaje de la micropalanca fuerza sensor y medir su rigidez. Punto (A) la car....

Results

Las salidas más básicas de cualquier prueba mecánica son la magnitud de la fuerza aplicada a la muestra y el desplazamiento en el lugar donde se aplica la fuerza. En el caso de una prueba de flexión de tres puntos, el objetivo es obtener la magnitud de la fuerza aplicada por la LPT, y el desplazamiento de la sección transversal del espécimen bajo la LPT en el

Discussion

Varios pasos del protocolo son particularmente importantes para asegurar que las fuerzas y los desplazamientos se miden con precisión. Mientras que algunos de estos pasos fundamentales son universales a todas las pruebas flexión de tres puntos, otros son exclusivos para este dispositivo mecánico de prueba.

En el paso 1.2 del protocolo el espejo LP se limpia y se inspecciona para arañazos y en paso 1.6 del Protocolo se establece la ganancia FODS. Es importante .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Mesa de aislamiento TMC de 36" x 48" con placa de pruebas CleanTop de 4"	TMC	63-563 Mesa de	aislamiento
Ajustador de tornillo diferencial	Thorlabs	DAS110	Para placa de nivelación de etapa
Cabezal de micrómetro de recorrido de 1" con graduaciones de 0.001"	Thorlabs	150-801ME	Para placa de nivelación de etapa
Soporte de ángulo recto para etapas de traslación de la serie PT, 1/4"- 20 orificios de montaje	Thorlabs	PT102	para montaje en microscopio
" Platina de traslación de cola de milano, 1/4"-20 machos	Thorlabs	DT25	Para montaje en microscopio
" Platina de traslación con tornillo de ajuste de 1/4"-170, machos de roscar 1/4"-20	Thorlabs	PT1B	Para montaje en microscopio
12" de longitud, cola de milano Carril óptico	Edmund Optics	54-401	para montura de microscopio
de 2,5" de ancho, portador de cola de milano	Edmund Optics	54-404	Para montaje de microscopio
de 0,5" de ancho, portador de cola de milano	Edmund Optics	54-403	Para montaje de microscopio
Montaje InfiniTube C-Clamp con ¼-20	Edmund Optics	57-788 Componente de	microscopio
estándar (sin accesorio en línea), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	Componente de microscopio
Accesorio en línea estándar (optimizado a 2X-10X), InfiniTube	Edmund Optics	56-126	Componente de microscopio
Adaptador de objetivo Mitutoyo/Achrovid (M26 a M27)	Edmund Optics	53-787	Componente de microscopio
5X Infinity Achrovid Objetivo de microscopio	Edmund Optics	55-790	Componente
de microscopio0.316 "ID, adaptador de fibra óptica SX-6	Edmund Optics	38-944	componente de microscopio
¼ " x 36", Guía de luz de fibra óptica flexible	Edmund Optics	42-347	Componente de microscopio
115V, MI-150 Iluminador de fibra óptica con filtro IR y soporte	Edmund Optics	55-718 Componente de	microscopio
Allied Vision Manta G-223 Cámara CMOS a color de 2/3"	Edmund Optics	88-452 Componente de	microscopio
Fuente de alimentación para Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike	Edmund Optics	68-586	Componente de microscopio
1/4" Recorrido Etapa de traducción de un solo eje	Thorlabs	MS1S	Micrómetro FODS
Sensor de desplazamiento de fibra óptica dependiente de reflectancia analógica	Philtec	D20	FODS
30V, 3A DC Fuente de alimentación	Agilent	U8001A	Fuente de alimentación para DAQ y FODS
DAQ multifunción de bajo costo de 14 bits, 48 kS/s Nacional	Instrumentos	USB-6009	DAQ para FODS Etapa de
traducción motorizada de tres ejes	Thorlabs Thorlabs	T25 XYZ-E/M	Etapa de traslación
T-Cube DC Servo motor	Controller Thorlabs	TDC001	Controlador de motor para etapa
T-Cube Fuente de alimentación	Thorlabs	TPS001	Fuente de alimentación para controlador de motor
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	National Instruments	Utilizado para ejecutar software
LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)	National Instruments		Utilizado para ejecutar software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body	MVI	MDA96000	Microscopio de luz polarizada
Nikon Pi Tubo intermedio con analizador Slider	MVI	MDB45305	Microscopio
de luz polarizada	Microscopio de luz polarizada	MVI	MDN11920
Cable de alimentación - 7'6"	MVI	79035	Microscopio de luz polarizada
Nikon P-Amh Mechanical Stage	MVI	MDC45000	Microscopio de luz polarizada
Nikon Lwd Condensador acromático	MVI	MBL16100	Microscopio de luz polarizada
Nikon LV-NBD5BD-CH Revólver manual Quint ESD	MVI	MBP60125	Microscopio de luz polarizada
Nikon C-TF Tubo trinocular F	MVI	MBB93100	Microscopio de luz polarizada
Nikon CFI 10X Ocular FN 22mm NC	MVI	MAK10110	Microscopio de luz polarizada
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objetivo	MVI	MUE42100	Microscopio de luz polarizada
Venus Flower Basket Sponge	Denis Brand	N/A	Esqueleto de esponja
3.5X Diadema Lupa abatible	McMaster Carr	1490T5	Utilizado para el seccionamiento de espículas
Ø Oblea de silicona de 1", tipo P / < 100>	Ted Pella	16011	Se utiliza para el espejo de punto de carga
Baja pelusa Hisopo de algodón de punta cónica	McMaster Carr	71035T31	Se utiliza para la limpieza de espejos LP
Cuchillo de precisión con agarre de goma	McMaster Carr	35575A68	Se utiliza para seccionar espículas Portaobjetos
microscopio, extremo esmerilado, 75 x 25 x 1 mm	Ted Pella	260409	Se utiliza para seccionar espículas
Cepillos de marta, #00000, 0,08 mm de ancho x 4,0 mm de largo	Ted Pella	11806	Se utiliza para la manipulación de espículas
Pinzas de alta precisión PELCO Pro, puntas extrafinas, acabado superior	Ted Pella	5367-5NM	Se utiliza para la manipulación de espículas
Micrómetro de escala lineal de doble eje	Edmund Optics	58-608	Se utiliza para calibrar los microscopios
FLEX-A-TOP FT-38 CAS Contenedores de	plástico ESD	FT-38-CAS	Se utiliza para almacenar espículas
Vial de plástico Bullseye Level	McMaster Carr	2147A11	Se utiliza para nivelar la etapa
Balanza analítica	Mettler Toledo	MS105DU	Se utiliza para la calibración masiva de pesas