Un système de test en flexion millimètre pour mesurer les propriétés mécaniques des Spicules d’éponges marines

Summary

Nous présentons un protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur les fibres d’échelle submillimétrique en utilisant un dispositif mécanique sur mesure. L’appareil permet de mesurer des forces allant de 20 µN jusqu'à 10 N et peut donc accueillir une variété de tailles de fibres.

Abstract

Beaucoup de charge portant des structures biologiques (LBBSs) — comme le rachis des plumes et des spicules — sont de petite taille (< 1 mm) mais pas microscopiques. Mesurer le comportement en flexion de ces LBBSs est important pour comprendre les origines de leurs fonctions mécaniques remarquables.

Les auteurs décrivent un protocole pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10^-5 à 10¹ N et déplacements allant de 10^-7 à 10^-2 m. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les capacités de la force et le déplacement peuvent être facilement ajustées pour différentes LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’un microscope à force atomique. À savoir, la force est appliquée au LBBS par un point de charge qui est attaché à l’extrémité du bras de levier. Le déplacement de point de charge est mesuré par un capteur de déplacement optique de fibre et transformé en une force à l’aide de la rigidité mesurée en porte-à-faux. Gamme de force de l’appareil peut être réglé à l’aide de leviers de raideurs différentes.

Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum. Les éléments squelettiques — appelées spicules — sont des fibres de silice qui sont environ de 50 µm de diamètre. Nous décrivons les procédures pour l’étalonnage de l’appareil mécanique, les spicules de montage sur un appareil de flexion trois points avec une envergure de mm ≈1.3, et effectuer une flexion test. La force exercée sur le spicule et sa déformation à l’emplacement de la force appliquée sont mesurés.

Introduction

En étudiant les architectures des porteurs de structures biologiques (LBBSs), comme shell et osseuse, ingénieurs ont mis au point de nouveaux matériaux composites qui sont forts et durs ¹. Il a été démontré que les propriétés mécaniques remarquables de LBBSs et de leurs homologues de bio-inspirés sont liées à leurs architectures internes complexes ². Cependant, les relations entre les architectures LBBS et propriétés mécaniques ne sont pas totalement comprises. Mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est la première étape pour comprendre comment son architecture améliore ses propriétés mécaniques.

Protocol

1. montage et alignement

1. choisir un cantilever dont la raideur est appropriée pour l’expérience envisagée. Fixez le LP sur le levier à l’aide de #4-40 vis à tête (SHCSs) (voir la Figure 3 A). Prenez soin de pas plastiquement déformer les bras cantilever pendant la fixation de la LP.

figure 3 : procédure pour assembler le cantilever force sensor et mesure sa rigidité. (A) la charge point (LP....

Results

Les sorties plus fondamentales de tous les essais mécaniques sont l’ampleur de la force exercée sur l’échantillon et le déplacement à l’endroit où la force est appliquée. Dans le cas d’un essai de flexion trois points, l’objectif est d’obtenir la magnitude de la force appliquée par la turbine BP, et le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la turbine BP dans le

Discussion

Plusieurs étapes du protocole sont particulièrement importants de veiller à ce que les forces et les déplacements sont mesurés avec précision. Alors que certaines de ces étapes critiques sont universels à tous les essais de flexion trois points, d’autres sont propres à ce dispositif d’essai mécanique.

À l' étape 1.2 du protocole le miroir LP est nettoyé et inspecté à rayures et à l' étape 1.6 du protocole, le gain de Dom est réglé. Il est important pour le gai.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Table d’isolation TMC 36 » x 48 » avec plaque d’expérimentation CleanTop 4 »	Table d’isolation	TMC	63-563
Ajusteur de vis différentielle	Thorlabs	DAS110	Pour plaque de nivellement de scène
Tête micrométrique de déplacement 1 » avec graduations de 0,001 »	Thorlabs	150-801ME	Pour plaque de nivellement de scène
Support à angle droit pour platines de translation de la série PT, 1/4 »- 20 trous de montage	Thorlabs	PT102	Pour monture de microscope
Platine de translation en queue d’aronde 1 », 1/4 »-20 Tarauds	Thorlabs	DT25	Pour monture de microscope
Platine de translation 1 » avec vis de réglage 1/4 »-170, 1/4 »-20 Tarauds	Thorlabs	PT1B	Pour monture de microscope
Longueur 12 », rail optique en queue d’aronde	Edmund Optics	54-401	Pour monture de microscope
2,5 » de largeur, support à queue d’aronde	Edmund Optics	54-404	Pour monture de microscope
0,5 » de largeur, support à queue d’aronde	Edmund Optics	54-403	Pour monture de microscope
InfiniTube Mounting C-Clamp avec ¼ ;-20	Edmund Optics	57-788	Composant
de microscope standard (sans fixation en ligne), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	Composant de microscope
Fixation standard en ligne (optimisé à 2X-10X), InfiniTube	Edmund Optics	56-126	Composant de microscope
Adaptateur d’objectif Mitutoyo/Achrovid (M26 à M27)	Edmund Optics	53-787	Composant de microscope
5X Infinity Achrovid Microscope Objectif	Edmund Optics	55-790	Composant
de microscope0.316" ID, adaptateur fibre optique SX-6	Edmund Optics	38-944	Composant de microscope
¼ ; « x 36 », Guide de lumière à fibre optique flexible	Edmund Optics	42-347	Composant de microscope
115V, MI-150 Illuminateur à fibre optique avec filtre IR et support	Edmund Optics	55-718	Composant de microscope
Allied Vision Manta G-223 2/3 » Caméra CMOS couleur	Edmund Optics	88-452
Composant de microscope Alimentation pour Manta / Guppy Pro / Stingray / Pike	Edmund Optics	68-586	Composant de microscope
1/4" Déplacement Platine de translation monoaxe	Thorlabs Micromètre Thorlabs	MS1S	FODS Capteur de
déplacement à fibre optique dépendant de la réflectance analogique	Philtec	D20	FODS
30V, 3A Alimentation DC	Agilent	U8001A	Alimentation pour DAQ et FODS
14 bits, 48 kS/s DAQ multifonction à faible coût	National Instruments	USB-6009	DAQ pour étage FODS
Platine de translation motorisée à trois axes	Thorlabs	Thorlabs T25 XYZ-E/M	Platine de translation
T-Cube DC Servo Motor Controller	Thorlabs	TDC001	Contrôleur de moteur pour platine
T-Cube Alimentation	Thorlabs	TPS001	Alimentation pour contrôleur de moteur
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	National Instruments		Utilisé pour l’exécution du logiciel
National Instruments Logiciel d’acquisition de vision LabVIEW (2016)	National Instruments Utilisé		pour l’exécution du logiciel
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body	MVI	MDA96000	Microscope à lumière polarisée
Nikon Pi Tube intermédiaire avec curseur de l’analyseur MVI		MDB45305	Microscope à
lumière polariséeMicroscope	lumière polarisée	MVI	MDN11920
Cordon d’alimentation - 7'6"	MVI	79035	Microscope à lumière polarisée
Nikon P-Amh Mechanical Stage	MVI	MDC45000	Microscope à lumière polarisée
Nikon Lwd Achromat Condenser	MVI	MBL16100	Nikon
LV-NBD5BD-CH Porte-objectifs manuel Quint ESD	MVI	MBP60125	Microscope à lumière polarisée
Nikon C-TF Tube trinoculaire F	MVI	MBB93100	Oculaire
Nikon CFI 10X FN 22mm NC	MVI	MAK10110	Microscope à lumière polarisée
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective	MVI	MUE42100	Microscope à lumière polarisée
Venus Flower Basket Sponge	Denis Brand	N/A	Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier	McMaster Carr	1490T5	Utilisé pour la section des spicules
et Oslash ; Plaquette de silicium 1", type P / < 100>	Ted Pella	16011	Utilisé pour le miroir de point de charge
Tampon en coton à pointe effilée à faible peluche	McMaster Carr	71035T31	Utilisé pour le nettoyage du miroir LP
Couteau de précision à poignée en caoutchouc	McMaster Carr	35575A68	Utilisé pour sectionner les spicules
Lames de microscope, extrémité givrée, 75 x 25 x 1 mm	Ted Pella	260409	Utilisé pour sectionner les spicules
Pinceaux en martre, #00000, 0,08 mm L x 4,0 mm L	Ted Pella	11806	Utilisé pour la manipulation des spicules
Pince à épiler de haute précision PELCO Pro, pointes extra fines, finition supérieure	Ted Pella	5367-5NM	Utilisé pour la manipulation des spicules
Micromètre à échelle linéaire à deux axes	Edmund Optics	58-608	Utilisé pour l’étalonnage des microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS	Conteneurs en plastique ESD	FT-38-CAS	Utilisé pour le stockage des spicules
Flacon en plastique Niveau Bullseye	McMaster Carr	2147A11	Utilisé pour le nivellement de la platine
Balance analytique	Mettler Toledo	MS105DU	Utilisé pour l’étalonnage en masse des poids