Un sistema di prova millimetro scala flessionale per misurare le proprietà meccaniche di spicole di spugna marina

Summary

Vi presentiamo un protocollo per l'esecuzione di prove di flessione di tre punti su fibre di scala sub-millimetrica utilizzando un dispositivo di prova meccanico su misura. Il dispositivo può misurare le forze che vanno da 20 µN fino a 10 N e può quindi ospitare una varietà di formati di fibra.

Abstract

Molti portanti strutture biologiche (LBBSs) — ad esempio rachidi piuma e spicole — sono piccole (< 1 mm) ma non microscopiche. Il comportamento flessionale di questi LBBSs di misurazione è importante per comprendere le origini della loro notevole funzioni meccaniche.

Descriviamo un protocollo per eseguire prove di flessione del tre-punto utilizzando un dispositivo di test meccanico su misura che può misurare le forze che vanno da 10^-5 10¹ N e cilindrate da 10^-7 a 10^-2 m. Il vantaggio principale di questo dispositivo di prova meccanico è che le capacità di forza e spostamento possono essere facilmente regolate per diversi LBBSs. Principio di funzionamento del dispositivo è simile a quella di un microscopio a forza atomica. Vale a dire, la forza è applicata per il LBBS da un punto di carico che è fissato all'estremità di una trave a mensola. Lo spostamento del punto di carico è misurato da un sensore di spostamento ottico di fibra e convertito in una forza utilizzando la rigidezza misurata a sbalzo. Gamma di forza del dispositivo può essere regolata utilizzando cantilever di differenti rigidezze.

Le funzionalità del dispositivo sono dimostrate eseguendo prove di flessione del tre-punto sugli elementi scheletrici di spugna marina Euplectella aspergillum. Gli elementi scheletrici — conosciuto come spicules — sono fibre di silice che sono circa 50 µm di diametro. Descriviamo le procedure per calibrare il dispositivo di prova meccanico, le spicole di montaggio su un dispositivo di piegatura di tre punti con una portata di mm ≈1.3 ed esecuzione di un bending test. La forza applicata alla sua deviazione nella posizione della forza applicata e la spicula sono misurati.

Introduction

Studiando le architetture portanti strutture biologiche (LBBSs), come shell e dell'osso, gli ingegneri hanno sviluppato nuovi materiali compositi che sono sia forte e duro ¹. È stato dimostrato che le notevoli proprietà meccaniche di LBBSs e le loro controparti di bio-ispirati sono legate alla loro intricati architetture interne ². Tuttavia, le relazioni tra proprietà meccaniche e architetture LBBS completamente non sono capite. Misurando la risposta meccanica di un LBBS è il primo passo verso la comprensione di come la sua architettura migliora le proprietà meccaniche.

Tuttavia, è importante ....

Protocol

1. montaggio e allineamento

1. Scegli un cantilever cui rigidità è appropriato per l'esperimento previsto. Allegare il LP per la trave a mensola utilizzando #4-40 viti a testa cilindrica (SHCSs) (Vedi Figura 3 A). Fare attenzione a non plasticamente i bracci a sbalzo mentre allegando il LP.

Figura 3: procedura per il montaggio il cantilever forza di sensore e misura la rigidità. Punto (A), il ....

Results

Le uscite più elementari di qualsiasi prova meccanica sono la grandezza della forza applicata per il campione e lo spostamento nella posizione dove la forza è applicata. Nel caso di prova di flessione a tre punti, l'obiettivo è ottenere la grandezza della forza applicata da LPT, e lo spostamento della sezione trasversale del provino sotto il LPT nella

Discussion

Diversi passaggi del protocollo sono particolarmente importanti per garantire che le forze e gli spostamenti sono misurati con precisione. Mentre alcuni di questi passaggi critici sono universali per tutte le prove di flessione di tre punti, gli altri sono unici per questo dispositivo di prova meccanico.

Nel passaggio 1.2 del protocollo lo specchio LP viene pulito e ispezionato per graffi e nel passo 1.6 del protocollo è impostato il guadagno FODS. È important.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tavolo isolante TMC 36" x 48" con breadboard CleanTop da 4"	TMC	63-563	Tavolo isolante
Regolatore vite differenziale	Thorlabs	DAS110	Per piastra di livellamento del palco
Testa del micrometro da viaggio da 1" con graduazioni da 0,001"	Thorlabs	150-801ME	Per piastra di livellamento del palco
Staffa ad angolo retto per stadi di traslazione della serie PT, 1/4"- 20 fori di montaggio	Thorlabs	PT102	Per montaggio per microscopio
Tavolino di traslazione a coda di rondine da 1", 1/4"-20 Rubinetti	Thorlabs	DT25	Per montaggio per microscopio
Tavolino di traslazione da 1" con vite di regolazione da 1/4"-170, 1/4"-20 Maschi	Thorlabs	PT1B	Per montatura da
microscopio Lunghezza 12", guida ottica a coda di rondine	Edmund Optics	54-401	Per supporto per microscopio
2,5" di larghezza, supporto a coda di rondine	Edmund Optics	54-404	Per montaggio per microscopio
0,5" di larghezza, supporto a coda di rondine	Edmund Optics	54-403	Per montaggio per microscopio
InfiniTube Montaggio a C con ¼-20	Edmund Optics	57-788	Componente per microscopio
standard (senza attacco in linea), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	Componente del microscopio
Attacco in linea standard (ottimizzato a 2X-10X), InfiniTube	Edmund Optics	56-126	Componente del microscopio
Adattatore per obiettivo Mitutoyo/Achrovid (da M26 a M27)	Edmund Optics	53-787	Componente del microscopio
5X Infinity Achrovid Obiettivo per microscopio	Edmund Optics	55-790	Componente
del microscopio0,316" ID, adattatore in fibra ottica SX-6	Edmund Optics	38-944	Componente per microscopio
¼ " x 36", Guida di luce flessibile in fibra ottica	Edmund Optics	42-347	Componente del microscopio
115V, illuminatore a fibra ottica MI-150 con filtro IR e supporto	Edmund Optics	55-718	Componente del microscopio
Allied Vision Manta G-223 2/3" Fotocamera CMOS a colori	Edmund Optics	88-452
Alimentatore per Manta / Guppy Pro / Stingray / Pike	Edmund Optics	68-586	Componente del microscopio
/4" Corsa Asse singolo Stadio di traslazione	Thorlabs	MS1S	FODS Micrometro
Sensore di spostamento in fibra ottica dipendente dalla riflettanza analogica Philtec		D20	FODS
30V, 3A Alimentatore CC	Agilent	U8001A	Alimentatore per DAQ e FODS
DAQ multifunzione a basso costo a 14 bit, 48 kS/s	Nazionale Strumenti	USB-6009	DAQ per FODS Stadio di
traslazione motorizzato a tre assi	Thorlabs Thorlabs	T25 XYZ-E/M	Stadio di traslazione
T-Cube DC Servomotore	Controller Thorlabs	TDC001	Controller motore per stadio
T-Cube Alimentatore	Thorlabs	TPS001	Alimentatore per controller motore
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	National Instruments	Utilizzato per l'esecuzione del software
LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)	National Instruments		Utilizzato per l'esecuzione del software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body	MVI	MDA96000	Microscopio a luce polarizzata
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider	MVI	MDB45305	Microscopio
a luce polarizzataNikon Dia-Polarizer	MVI	MDN11920	Microscopio a luce polarizzata
Cavo di alimentazione - 7'6"	MVI	79035	Microscopio a luce polarizzata
Nikon P-AMH Tavolino meccanico	MVI	MDC45000	Microscopio a luce polarizzata
Nikon Lwd Achromat Condenser	MVI	MBL16100	Microscopio a luce polarizzata
Nikon LV-NBD5BD-CH Revolver manuale Quint ESD	MVI	MBP60125	Microscopio a luce polarizzata
Nikon C-TF Tubo trinoculare F	MVI	MBB93100	Microscopio a luce polarizzata
Nikon CFI 10X Oculare FN 22mm NC	MVI	MAK10110	Microscopio a luce polarizzata
Nikon TU Plan Flour BD 10x Obiettivo	MVI	MUE42100	Microscopio a luce polarizzata
Venus Flower Basket Sponge	Denis Brand	N/A	Scheletro in spugna
3.5X Fascia Flip-Up Lente d'ingrandimento	McMaster Carr	1490T5	Utilizzato per il sezionamento delle spicole
Ø Wafer di silicio da 1", tipo P / < 100>	Ted Pella	16011	Utilizzato per lo specchio del punto di carico
Pelucchi bassi Punta affusolata Cotton Swab	McMaster Carr	71035T31	Utilizzato per la pulizia dello specchio LP
Coltello di precisione con impugnatura in gomma	McMaster Carr	35575A68	Utilizzato per il sezionamento di spicole
Vetrini per microscopio, estremità smerigliata, 75 x 25 x 1 mm	Ted Pella	260409	Utilizzato per il sezionamento di spicole
Spazzole di zibellino, #00000, 0,08 mm L x 4,0 mm L	Ted Pella	11806	Utilizzato per maneggiare le spicole
Pinzette ad alta precisione PELCO Pro, punte extra fini, finitura superiore	Ted Pella	5367-5NM	Utilizzato per maneggiare le spicole
Micrometro a scala lineare a doppio asse	Edmund Optics	58-608	Utilizzato per calibrare i microscopi
FLEX-A-TOP FT-38 CAS	Contenitori in plastica ESD	FT-38-CAS	Utilizzato per la conservazione delle spicole
Fiala di plastica Bullseye Level	McMaster Carr	2147A11	Utilizzato per livellare il tavolino
Bilancia analitica	Mettler Toledo	MS105DU	Utilizzato per la calibrazione dei pesi di massa