Method Article

Een Millimeter schaal buigsterkte testsysteem voor het meten van de mechanische eigenschappen van mariene spons botsplinters

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Presenteren we een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven op sub millimeter schaal vezels met behulp van een custom-built mechanische beproevingstoestel. Het apparaat kan meten krachten variërend van 20 µN tot 10 N en is daarom geschikt voor een verscheidenheid van grootte van de vezels.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Veel laden rekening houdend met biologische structuren (LBBSs) — zoals veer rachises en botsplinters — zijn klein (< 1 mm) maar niet microscopische. Het meten van de buigsterkte gedrag van deze LBBSs is belangrijk voor het begrijpen van de oorsprong van hun opvallende mechanische functies.

We beschrijven een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven met behulp van een custom-built mechanische testen apparaat dat kan meten dwingt variërend van 10-5 tot 101 N en verplaatsingen variërend van 10-7 tot 10-2 m. Het belangrijkste voordeel van dit mechanische testen apparaat is dat de kracht en de verplaatsing capaciteit gemakkelijk kunnen worden aangepast voor verschillende LBBSs. Het werkingsprincipe van het apparaat is vergelijkbaar met die van een atomic force microscope. Namelijk, kracht wordt toegepast op de LBBS door de punt van een belasting die is gekoppeld aan het einde van een cantilever. De verplaatsing van lading punt wordt gemeten door een sensor fiber optic verplaatsing en omgezet in een kracht met behulp van de gemeten cantilever stijfheid. Van het apparaat kracht bereik kan worden aangepast met behulp van de uitkragingen van verschillende stiffnesses.

Van het apparaat mogelijkheden worden gedemonstreerd door het verrichten van drie-punt buigende proeven op het skelet elementen van de mariene spons Euplectella Wijwaterkwast. De skelet elementen — bekend als botsplinters — silica-vezels die ongeveer 50 µm in diameter zijn zijn. We beschrijven de procedures voor het kalibreren van het mechanische beproevingstoestel, de botsplinters montage op een drie-punt buigende armatuur met een spanwijdte van ≈1.3 mm en uitvoeren van een buigen test. De kracht uitgeoefend op de spicule en de uitwijking op de locatie van de toegepaste kracht worden gemeten.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Door het bestuderen van de platforms van dragende biologische structuren (LBBSs), zoals shell en bot, hebben de ingenieurs ontwikkeld nieuwe samengestelde materialen die zowel sterk en taai 1. Het is aangetoond dat de opmerkelijke mechanische eigenschappen van LBBSs en hun tegenhangers bio-geïnspireerde zijn gerelateerd aan hun ingewikkelde interne platforms 2. De relaties tussen LBBS platforms en mechanische eigenschappen worden echter niet volledig begrepen. Het meten van de mechanische reactie van een LBBS is de eerste stap naar inzicht in hoe de architectuur verbetert de mechanische eigenschappen.

Het is echter belangrijk dat het type test gebruikt voor het meten van een LBBS mechanische antwoord met haar mechanische functie strookt. Bijvoorbeeld, omdat veren aërodynamische ladingen steunen moeten, is de primaire functie van de spil van een veer bedoeld als buigsterkte stijfheid 3. Een buigmoment test daarom verkiezen boven een eenassige spanning test voor het meten van de mechanische reactie. In feite, vele LBBSs — zoals veer rachises 3, gras stengels 4en botsplinters 5,,6,,7,8— vooral vervormen door buigen. Dit is omdat deze LBBSs slanke zijn —dat wil zeggen, de lengte is veel groter dan hun breedte of diepte. Echter, buigende tests uitvoeren op deze LBBSs is uitdagend omdat de krachten en verplaatsingen die ze kunnen weerstaan voordat van 10-2 tot en met 10 variëren-2 N en 10-4 tot 10-3 m, respectievelijk 3 , 4 , 5 , 7 , 8. daarom het apparaat gebruikt voor het uitvoeren van deze mechanische tests moeten de resoluties van de kracht en de verplaatsing van ≈10-5 N en ≈10-7 m (dat wil zeggen, 0,1% van de maximale measureable kracht en de verplaatsing van de sensor), respectievelijk.

Verkrijgbare, grote schaal, mechanische testen systemen meestal niet meten krachten en verplaatsingen met deze resolutie. Atomaire kracht Microscoop gebaseerde 9,10 of microschakelaars systemen gebaseerde 11 testen apparaten hebben voldoende resolutie, de maximale kracht (respectieve verplaatsing) ze kunnen meten weliswaar kleiner dan de maximale kracht (respectieve verplaatsing) die de LBBS kunnen weerstaan. Daarom, buigende om test te voeren op deze LBBSs, de ingenieurs en de wetenschappers moet vertrouwen op custom-built mechanische testen apparaten 5,7,12,13. Het belangrijkste voordeel van deze custom-built apparaten is dat zij grote reeksen van krachten en verplaatsingen aankan. Echter, de bouw en de exploitatie van deze apparaten is niet goed gedocumenteerd in de literatuur.

Een protocol is beschreven voor het verrichten van drie-punt buigende proeven met behulp van een custom-built mechanische testen apparaat dat kan meten dwingt variërend van 10-5 tot 101 N en verplaatsingen variërend van 10-7 tot 10-2 m. Technische tekeningen, met inbegrip van alle dimensies van de componenten van het mechanische beproevingstoestel vindt u in het aanvullend materiaal. Het belangrijkste voordeel van dit mechanische testen apparaat is dat de kracht en de verplaatsing bereiken kunnen worden gemakkelijk aangepast aan verschillende LBBSs. Het werkingsprincipe van het apparaat is vergelijkbaar met die van een atomaire kracht Microscoop 9. In dit apparaat, een specimen wordt geplaatst in een greppel gesneden in een RVS plaat (Zie Figuur 1A-C). De spanwijdte van de trog is gemeten vanaf optische microfoto als 1278 ± 3 µm (gemiddelde ± standaardafwijking; n = 10). De randen van de loopgraaf ondersteunen het model tijdens een buigende test (Zie Figuur 1 c, en D). Dit monster stadium is gekoppeld aan een fase van drie assen vertaling en onder een aluminium wig zo geplaatst dat de wig halverwege de trog van de overspanning ligt (Zie Figuur 1C). Door het bewegen van de fase de figure-introduction-1 richting (Zie figuur 1A, en C), het model wordt geduwd in de wig waardoor het model om te buigen.

Verwijzen we naar de wig als de belasting punt tip (LPT) en het onderdeel van het apparaat dat de wig als het punt van de belasting (LP bevat). De LP is gekoppeld aan het einde van een cantilever wier verplaatsing wordt gemeten door een fiber optic verplaatsing sensor (FODS). Straalt infrarood licht, die wordt weerspiegeld op een spiegel gelegen op de bovenkant van de LP uit de FODS (Zie Figuur 1B) en ontvangen door een optische vezel in de FODS. Een ≈5 mm vierkant stuk een gepolijste silicium wafer wordt gebruikt als de LP-spiegel en op de LP met behulp van epoxy is aangebracht. De FODS meet verplaatsingen door het vergelijken van de intensiteit van het uitgestraalde en gereflecteerd licht. De cantilever stijfheid en verplaatsing worden gebruikt voor het berekenen van de kracht, figure-introduction-2 , ervaren door de wig als gevolg van de interactie met het model. De verplaatsing van de ' Freischwinger ' wordt ook gebruikt voor het berekenen van de verplaatsing van het specimen dwarsdoorsnede onder de wig, figure-introduction-3 . Cantilever gebaseerde krachtsensors zijn gebruikt in een aantal micro - en macroschaal mechanische testen studies 10,11,12,13,14. Het specifieke ontwerp hier gepresenteerd is aangepast van een mechanische testen apparaat dat wordt gebruikt voor het uitvoeren van zelfklevende contact experimenten 14. Een soortgelijk ontwerp is ook gebruikt in een commercieel beschikbare micro-tribometer 15,16.

figure-introduction-4
Figuur 1: overzicht van de op maat gemaakte mechanische beproevingstoestel. (A) A computer aided ontwerp weergave van het apparaat. De fase-onderdelen zijn gemarkeerd in het groen. De force sensing halffabrikaat (cantilever, belasting punt (LP)) wordt gemarkeerd in het rood. (B) een vergroot beeld van (A). De LP-spiegel wordt weergegeven in het blauw op de bovenkant van de LP onder de FODS en LPM is gemarkeerd. (C) het coördinatensysteem gebruikt om te beschrijven de motie van de fase van de vertaling. Door herverdeling van the fase in stap 1.9 van het protocol, de figure-introduction-5 richting te laten samenvallen met de vector die loodrecht op het glasoppervlak van de LP-spiegel is gemaakt. (D) een schematische voorstelling van de drie-punt buigende configuratie weergegeven: de vervorming van de spicule en de gemeten verplaatsingen figure-introduction-6 , en figure-introduction-7 . Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Van het apparaat mogelijkheden worden gedemonstreerd door het verrichten van drie-punt buigende proeven op het skelet elementen van de mariene spons Euplectella Wijwaterkwast6,7. Deze spons het skelet is een samenstel van filamenten, genaamd botsplinters (Zie Figuur 2). De botsplinters zijn ≈50 µm dik en bestaat voornamelijk uit siliciumdioxide 6. Biosilica gebaseerde botsplinters worden aangetroffen in sponsen die behoren tot de klassen Demospongiae Homosclerophorida en Hexactinellida. Sponzen, zoals E. Wijwaterkwast, die behoren tot de klasse Hexactinellida staan ook bekend als "glas sponzen." Terwijl de botsplinters van glas sponzen zijn voornamelijk samengesteld uit siliciumdioxide, is gebleken dat de silica vaak een organische matrix samengesteld uit beide collageen 17,18 of chitine 19,20 bevat , 21. deze organische matrix speelt een belangrijke rol in silica biomineralization 18,20. Bovendien in sommige botsplinters fungeert de organische matrix ook als een sjabloon voor de biomineralization van calcium 22. Naast uitgedeeld binnen de silica, kan de organische matrix ook vormen verschillende lagen die de spicule van silica in concentrische, cilindrische lamellen 6,23 verdelen. Het is aangetoond dat deze concentrische, lamellair architectuur kan invloed hebben op de botsplinters vervorming gedrag 6,7,8,24,25,26 . Bijgevolg de botsplinters mechanische eigenschappen worden bepaald door een combinatie van hun chemie (dwz., de chemische structuur van de samengestelde silica-eiwit) en hun het platform 27. Zowel de chemische structuur en de architectuur van glas spons botsplinters zijn nog in onderzoek 24,28,29.

Allermeest naar de botsplinters in E. Wijwaterkwast zijn samen aan een stijve skelet kooi formulier gecementeerd. Aan de voet van het skelet is er echter een plukje zeer lang (≈10 cm) botsplinters bekend als het anker botsplinters (Zie Figuur 2). We beschrijven het protocol voor het verrichten van buigende proeven van drie-punt op kleine secties van het anker botsplinters.

In stap 1 van het protocol, wordt de procedure voor het monteren en uitlijnen van de componenten van het mechanische custom-built beproevingstoestel beschreven. Stap 2 en 4 van het protocol bevatten instructies voor genereren kalibratiegegevens gebruikt voor het berekenen van de krachten en verplaatsingen in de buigende test. De stappen voor te bereiden van een deel van een spicule en mount het op de steun van de test zijn beschreven in stap 3. De procedure voor het uitvoeren van de buigende test op het spicule gedeelte is beschreven in stap 5. Ten slotte de kalibratiegegevens verkregen in de stappen 2 en 4 in de sectie Vertegenwoordiger resultaten gebruikt worden samen met de buigende testgegevens die worden verkregen in stap 5 om te berekenen figure-introduction-8 en figure-introduction-9 .

figure-introduction-10
Figuur 2: Procedure voor segmenteren en inspectie van E. Wijwaterkwast botsplinters. (A) het skelet van E. Wijwaterkwast. Het plukje vrijstaande anker botsplinters wordt weergegeven aan de voet van het skelet. De schaal bar is ~ 25 mm. (B) een spicule van één anker wordt gehouden in de plaats op een microscoopglaasje met behulp van een #00000 rood sable borstel en gesegmenteerd met behulp van een scheermesje. De schaal bar is ~ 12 mm. (C) een deel van een spicule E. Wijwaterkwast over de loopgraaf in het werkgebied van de steekproef geplaatst. De loopgraaf randen en loopgraaf ridge worden gemarkeerd in groenblauw en oranje, respectievelijk. De spicule wordt geduwd tegen de loopgraaf ridge om ervoor te zorgen dat de as loodrecht op de randen van de Geul staat. (D) een opname van een spicule die loopt van de controleprocedure die is beschreven in stap 3.4 van het protocol, waarin wordt beschreven hoe om te bepalen of een sectie van de spicule is beschadigd en moet worden weggegooid. (E) A opname van een spicule met vele scheuren en ontbrekende grote delen van silica lagen die de controleprocedure die is beschreven in stap 3.4 van het protocol zou mislukken. Schaal bars = 250 µm (C), 100 µm (D) en 100 µm (E). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. montage en uitlijning

  1. Kies een cantilever wier stijfheid geschikt voor het beoogde experiment is. De LP hechten aan de uitkraging met behulp van #4-40 cap binnenzeskantbouten (SHCSs) (Zie Figuur 3 A). Zorg om geen plastisch vervormt de cantilever armen terwijl het koppelen van de LP.

figure-protocol-1
Figuur 3: Procedure voor het samenstellen van de uitkraging kracht sensor en meten zijn stijfheid. (A) de belasting punt (LP) is aangesloten op de uitkraging (C), met de lading punt tip (LPT) wees naar boven. (B) de uitkraging en LP halffabrikaat is gekoppeld aan de plaat ' Freischwinger ', aangeduid als CP. De verzonken zak van de ' Freischwinger '-plaat wordt weergegeven onder de cantilever armen. (C) de cantilever plaat is gekoppeld aan de onderkant van het frame, zodat de kant van de plaat weergegeven in (B) wordt geconfronteerd met de figure-protocol-2 richting. De FODS micrometer wordt aangeduid als FM. (D) de haak draad en kalibratie gewichten gebruikt in stap 2 van het protocol staan opknoping van het gat in de LPT. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. een paar druppels van 2-propanol van toepassing op een lint gratis wattenstaafje en veeg het oppervlak van de LP-spiegel. Inspecteer de spiegel voor krassen en vervang de spiegel als het beschadigd is.
  2. Losjes de uitkraging hechten aan de ' Freischwinger '-plaat met behulp van #6-32 SHCSs aan de zijkant van de plaat met de verzonken zak met de LPT-wijzen uit de buurt van de plaat (Zie Figuur 3 B). Invoegen van de 1/8 " uitlijning pinnen via de cantilever en plaat, draai de schroeven, en verwijder vervolgens de uitlijning pinnen.
  3. Trekken de FODS zo veel mogelijk door te draaien aan de FODS micrometer linksom (Zie afbeelding 3 C). Losjes hechten de cantilever plaat aan het frame met behulp van #6-32 SHCSs met de LPT-wijzen in de figure-protocol-3 richting (Zie Figuur 1). Invoegen van de 1/8 " uitlijning pinnen via de frame en cantilever plaat, draai de schroeven en vervolgens het verwijderen van de pinnen van de uitlijning (Zie afbeelding 3 C).
  4. Zet de kracht leveren en stel de spanning op 12,00 V in constante spanning modus met behulp van de instelknop. Draai op de uitgang van de spanning en bevestigen dat de huidige loting op de voeding weergegeven ' s LCD scherm is ongeveer 60-70 mA. Wacht minstens een uur voor de huidige draw te bereiken van de stationaire toestand ter vermindering van de onzekerheid van de metingen van de spanning.
  5. Open en voer het programma van de Basic_Data (Zie aanvullende Code bestanden). Draai de FODS micrometer (Zie Figuur 3 C en Figuur 4 A) rechtsom om de FODS naar de LP spiegel totdat de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek een maximale waarde bereikt.
    1. Aanpassen de winst van de FODS door te draaien aan de set aan de zijkant van de behuizing van de FODS, schroeven zodat de spanning uitgang is 5.0 V. beurt de FODS micrometer linksom te trekken van de FODS.
  6. De Microscoop illuminator inschakelen en aanpassen van de positie van de Microscoop en richten met behulp van de twee fasen van de handmatige vertaling, zodat de LPT wordt gecentreerd in het gezichtsveld. Stoppen met het Basic_Data-programma door te klikken op de ' stoppen ' knop.
  7. De motorcontroller user interfacesoftware niet openen. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op de figure-protocol-4 -as motorcontroller om het werkgebied naar de maximale toegestane reizen in de < img alt = "Vergelijking 6" src = "/ bestanden/ftp_ Upload/56571/56571eq6.jpg"/ > richting en reeks de uitgangspositie door te klikken op de ' Home ' knop in de gebruikersinterface.
    1. Gebruik de potentiometer schuifregelaar op de figure-protocol-5-as motorcontroller om het werkgebied naar de maximale toegestane reizen in de figure-protocol-6 richting en reeks de uitgangspositie. Sluit de interface van de gebruikerssoftware.
  8. Stoel van het podium op de grondplaat van de etappe (Zie Figuur 4 A) zodat de toppen van de Inbouwschroefmaten op de herverdeling rust in de fase grondplaat divots plaat. Plaats een waterpas op de tafel van de isolatie en de druk in elk van de tabel aan te passen ' s benen door te draaien aan de klep arm duim schroeven zodat het oppervlak niveau is.
    1. De waterpas naar de top van de etappe herverdeling van de plaat en de micrometers zodanig aanpassen dat het is ook niveau. Opmerking de micrometer posities en de fase van de grondplaat van de fase verwijderen. Opmerking: Het protocol kan hier worden gepauzeerd.

figure-protocol-7
Figuur 4: het mechanische beproevingstoestel zoals geassembleerd in stappen 1.9 en 3.7 van het protocol. (A) de monster fase (SS), is aangesloten op het podium van de vertaling (TS), en wordt herverdeeld met behulp van de micrometers het werkgebied herverdeling plaat (SLP), die zitten op de grondplaat van de etappe (SBP). De grondplaat fase is aan het optische breadboard van de isolatie-tabel gekoppeld. De uitkraging (C); Cantilever plaat (CP); en fiber optic verplaatsing sensor (FODS) vormen de force sensing systeem. (B) de belasting punt (LP) op de uitkraging is aangesloten en de belasting punt tip (LPT) op de spicule in het werkgebied van de steekproef wordt geplaatst. Tijdens een buigende test, is de verplaatsing van de LP gemeten met behulp van de FODS. De eerste afstand tussen de FODS en de LP-spiegel wordt gecontroleerd door de FODS micrometer (FM) in (A) weergegeven. (C) A opname van de spicule leggen over de trog in de fase van de steekproef, gepositioneerd onder de LPT. Schaal bar = 250 µm (C). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

2. meting van de stijfheid van de cantilever

  1. de Basic_Data programma en draai de FODS micrometer rechtsom totdat de uitgangsspanning ongeveer 4 V. Stop is het programma uitvoeren door te klikken op de ' stoppen ' knop.
  2. Meten van de massa van de draad haak en kalibratie gewichten met behulp van een analytische balans.
  3. Open het programma Cantilever_Calibration (Zie aanvullende Code bestanden) en geef de gewenste bestandsnaam voor de force calibration output bestand in het tekstvak in de gebruikersinterface.
  4. Het Cantilever_Calibration-programma uitvoeren en klik op ' OK ' Wanneer gevraagd op te geven van de massa van de eerste kalibratie gewicht. Wachten op de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek om te stoppen oscillerende en klik op de groene ' gestabiliseerde spanning ' knop te nemen van een meting van de spanning.
  5. Gebruik pincet te hangen van de draad haak uit het gat in de LPT zodat de haak is geconfronteerd weg van de Microscoop doelstelling (Zie Figuur 3 D). De pincet gebruiken om de trilling van de uitkraging veroorzaakt door de toevoeging van de haak vochtige.
    1. De massa van de haak Voer in gram in het dialoogvenster en klik op ' OK '. Zoals in de vorige stap, wacht de uitgangsspanning om te stoppen met oscillerende voordat u klikt op de ' spanning gestabiliseerde ' knop.
  6. Gebruik pincet te hangen van het eerste gewicht op de draad haak en herhaal het proces van het nemen van een meting van de spanning, zoals beschreven in de vorige stap. Herhaal deze stap totdat alle van de calibratie gewichten al opgehangen hebben of de uitgangsspanning minder dan 1,8 V is. Op dit punt, klik op ' annuleren ' in het dialoogvenster om af te sluiten het programma Cantilever_Calibration.
  7. Zet de FODS micrometer linksom te trekken van de FODS. Verwijder voorzichtig de haak en gewichten van de LPT.
    Opmerking: Het uitvoerbestand voor kalibratie van force is een door tabs gescheiden lijst met de kracht die door de kalibratie missen, het gemiddelde van 100 FODS output voltage lezingen en de standaardafwijking van de lezingen. De Vertegenwoordiger resultaten sectie wordt beschreven hoe dit gegevensbestand wordt verwerkt voor het meten van de stijfheid van de cantilever.

3. Specimen voorbereiding

  1. slijtage nitril handschoenen bij het verwerken van de E. Wijwaterkwast spons skeletten en opslaan van de skeletten in verzegelde containers wanneer zij niet wordt afgehandeld.
    Let op: Aangezien de botsplinters bestaan voornamelijk uit siliciumdioxide, gebroken spicule fragmenten zijn scherp en kan worden ingebed in de huid, wat leidt tot irritatie.
  2. Gebruiken een paar pincet te begrijpen van één anker spicule door haar distale einde en trek te verwijderen uit het skelet (Zie Figuur 2). Plaats de spicule op een schone microscoopglaasje.
  3. Houd de spicule tegen de dia in de buurt van het middelpunt langs de lengte met een #00000 rood sable borstel. Snijd een ≈ 4 mm sectie van de spicule door het indrukken van een scheermesje tegen de spicule aan weerszijden van het penseel loodrecht op de dia oppervlakte (Zie Figuur 2 B). Negeren van de grote spicule van de distale en proximale secties en houden de ≈ sectie van 4 mm.
  4. Inspecteren de sectie van de 4-mm spicule met een gepolariseerd licht Microscoop op 10 x vergroting (Zie Figuur 2 C-E). De spicule sectie negeren en terug naar stap 3.2 als het ontbreekt grote gebieden van kiezelzuur lagen (Zie Figuur 2). Omgaan met secties van de geïnspecteerde spicule uitsluitend met behulp van de #00000 rood sable borstel om te voorkomen dat de invoering van nieuwe schade aan hun lagen silica.
  5. Reinigt alle spicule fragmenten of andere deeltjes van het oppervlak van de etappe van de steekproef met een borstel of perslucht. Dan een paar druppels van 2-propanol van toepassing op een lint gratis wattenstaafje en veeg de monster-fase. Vermijd contact met de gebieden van het werkgebied bedekt met niet-reflecterende verf. Opmerking: De verf wordt gebruikt om het aantal spiegelende reflecties in de opnamen tijdens de buigende test
  6. De spicule sectie overbrengen in de fase van de steekproef. Positie van de sectie van de spicule in de trog met de gewenste span voor de buigende test en duw het voorzichtig de figure-protocol-8 richting tegen de loopgraaf ridge. Zorg ervoor dat de spicule loodrecht op de randen van de loopgraaf (Zie Figuur 2 C).
  7. Seat het podium op de grondplaat van de fase, zodat de uiteinden van de spindels micrometer in de fase grondplaat divots rusten. Wijzig indien nodig de micrometers het werkgebied herverdeling van de plaat met de waarden in stap 1.9 van het protocol genoteerd.

4. Spanning-verplaatsing interpolatie bestand

  1. Open het programma Bending_Test (Zie aanvullende Code bestanden). Stel de ' stap grootte ' aan 2 µm, ' maximale waterverplaatsing ' tot 0,5 mm, ' laagspanning stop ' aan 1.5 V, en ' hoogspanning stop ' aan 4.6 V met behulp van de tekstvakken weergegeven in de gebruikersinterface.
    1. Selecteert u de gewenste mappen op het gebied van beeld en gegevens en de output bestand naam met behulp van de tekst selectievakjes in de gebruikersinterface. Stel de ' beelden opslaan ' naar de down positie in de gebruikersinterface en klik op de groene rechthoekige knop onder de woorden ' spanningsverschil ' zodat het wordt verlicht.
  2. Bending_Test programma en wacht tot de motor controller en camera interfaces om te initialiseren.
  3. Het hulplicht inschakelen en aanpassen van de helderheid zodat de LPT zichtbaar is. Draai de FODS micrometer rechtsom totdat de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek ~1.7 V. is
    1. Gebruik de potentiometer schuifregelaar op de figure-protocol-9-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de figure-protocol-10 richting tot het is ~ 1 cm onder de LPT- en de figure-protocol-11-de home positie van de as door te klikken op de " Home " knop.
  4. De potentiometer schuifregelaars gebruiken op de figure-protocol-12- en figure-protocol-13-as motor controllers om te plaatsen de LPT boven het midden van de dunne staalplaat, gelegen in het werkgebied van het monster in de figure-protocol-14 richting van de trog. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op de figure-protocol-15-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de figure-protocol-16 richting tot het werkgebied is binnen de Microscoop ' s gezichtsveld.
  5. Gebruikt u de schuifregelaar van de potentiometer op de figure-protocol-17-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de figure-protocol-18 richting, terwijl kijken naar de output voltage grafiek in de gebruikersinterface. Bepalen van het globale positie waartegen de LPT contact op met de fase ' s oppervlak door op zoek naar een verandering in spanning met verdere beweging van het werkgebied. Intrekken van de fase ongeveer 10 µm.
  6. Klik op de knop met het label " beginnen Test ". Wanneer ertoe aangezet, ga waarden van 0.003 V en 0,001 mm voor ' aanslaggevoeligheid ' en ' touch uit stap-grootte ', respectievelijk. Wachten op de test om te voltooien.
    Opmerking: Na dit punt Verwijder niet de fase uit de grondplaat fase totdat de buigende test is voltooid met het oog op de nauwkeurige verplaatsing metingen. Het uitvoerbestand van spanning-verplaatsing interpolatie is een door tabs gescheiden lijst van het gemiddelde van 100 FODS output voltage lezingen en de standaardafwijking van die lezingen samen met de figure-protocol-19- de positie van de fase van het as op elke etappe verplaatsing increment. De Resultaten van de vertegenwoordiger sectie wordt beschreven hoe dit gegevensbestand wordt gebruikt voor het converteren van de gemeten FODS uitgangsspanning naar LP verplaatsingen.

5. Buigen Test

  1. Open en run de Basic_Data program en de FODS micrometer linksom draaien totdat de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek is ongeveer 3 V. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op het < img ALT = "Vergelijking 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -as motorcontroller positie de LPT tussen de randen van de loopgraaf boven de spicule (Zie Figuur 4 C).
    1. Gebruik de potentiometer schuifregelaar op de figure-protocol-20-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de figure-protocol-21 richting tot de LPT lager is dan de oppervlaktelaag van de loopgraaf ridge (Zie Figuur 5 A). Tot slot gebruikt u de schuifregelaar van de potentiometer op de figure-protocol-22-as motorcontroller te brengen de voorzijde van de loopgraaf ridge in beeld, zodat de volledige breedte van de LP tussen de randen van is de loopgraaf ridge. Stoppen met het Basic_Data-programma door te klikken op de ' stoppen ' knop.
  2. Open en run het programma Center_LoadPoint (Zie aanvullende codebestand). Gebruik de figure-protocol-23-as motorcontroller te verhuizen van het werkgebied totdat de LPT bijna in contact met de juiste loopgraaf rand is. Klik op de " rand vinden " knop.
  3. Wanneer gevraagd, gebruiken de figure-protocol-24-as motorcontroller te verhuizen van het werkgebied totdat de LPT bijna in contact met de trog van de linker rand is. Klik op de " rand vinden " knop. Wacht tot het programma te plaatsen van de LPT-mid manier over de loopgraaf span (Zie Figuur 5 B).
    Opmerking: Na dit punt is het belangrijk om niet aan te passen de figure-protocol-25-as motorcontroller als dit zal resulteren in een afwijking van de LPT.
  4. Open het programma Bending_Test. De stap-grootte ingesteld op 2 µm, maximale waterverplaatsing tot 0,5 mm, laagspanning stop naar 1.5 V en hoogspanning stop naar 4.5 V met behulp van de tekstvakken in de gebruikersinterface.
    1. Selecteert u de gewenste mappen op het gebied van beeld en gegevens en de output bestand naam met behulp van de tekst selectievakjes in de gebruikersinterface. Stel de ' beelden opslaan ' schakelen in de gebruikersinterface naar de up positie en klik op de groene rechthoekige knop onder woorden ' spanningsverschil ' zodat het niet is verlicht.
  5. Bending_Test programma en wacht tot de motor controller en camera interfaces om te initialiseren.
  6. De fase verplaatsen het figure-protocol-26 richting met behulp van de schuifregelaar van de potentiometer op de motorcontroller totdat de spicule binnen de Microscoop ' s gezichtsveld. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op de figure-protocol-27 -as motorcontroller te verhuizen van het werkgebied totdat de spicule onder de LPT is.
    1. De Microscoop focus knoppen zodanig aanpassen dat de spicule in focus in de user is interface (Zie Figuur 4 C). Draai de FODS micrometer linksom totdat de uitgangsspanning ongeveer 1,8 V. is
  7. Gebruikt u de schuifregelaar van de potentiometer op de z-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de figure-protocol-28 richting tijdens het kijken naar de output voltage grafiek in de gebruikersinterface. De benaderende positie waartegen de LPT contact op met de spicule door op zoek naar een verandering in spanning met verdere beweging van de etappe bepalen. Intrekken van de fase ongeveer 50 µm.
  8. Klik " beginnen testen " en wacht totdat de buigende test is voltooid en het werkgebied keert terug naar de figure-protocol-29-as uitgangspositie.
    Let op: De fase zal verplaatsen in stappen van 2 µm (zoals wordt voorgeschreven in stap 5.4 van het protocol) in het figure-protocol-30 richting, buigend de spicule (Zie Figuur 5 C) totdat een van verschillende stoppen voorwaarden is voldaan. De stoppen-omstandigheden zijn: een) de maximale fase verplaatsing van 0.5 mm is bereikt; b) de spicule pauzes en het programma detecteert een grote daling in de uitgangsspanning van de FODS; of c) de hoogspanning van 4.5 V is bereikt. Voor het stoppen van voorwaarde (a), zal de gebruiker worden gevraagd als ze willen zou beëindigen van de test of overschrijven de vorige waarde. Wanneer ' overschrijven ' is geselecteerd, zal de gebruiker de mogelijkheid om de richting van de etappe verplaatsing stap omkeren om voort te zetten met het verzamelen van gegevens als de spicule verwijderd wordt of ophogen van de limiet van de verplaatsing stadium hebben. De fase verplaatsing increment richting kan ook worden veranderd door te klikken op de " Reverse laden " knop op elk moment tijdens de test. Het buigmoment test-uitvoerbestand heeft dezelfde structuur als de spanning-verplaatsing interpolatie output bestand gegenereerd in stap 4.6 van het protocol. Dat wil zeggen, het is een door tabs gescheiden lijst van het gemiddelde van 100 FODS output voltage lezingen en de standaarddeviatie van die lezingen samen met de figure-protocol-31-de positie van de fase van de as in elke fase de toename van de verplaatsing. De Vertegenwoordiger resultaten beschreven hoe dit gegevensbestand samen met het bestand van de interpolatie spanning-verplaatsing wordt gebruikt voor het berekenen van de ' Freischwinger ' verplaatsingen en fase verplaatsingen tijdens de buigende test. Vervolgens de cantilever stijfheid wordt gebruikt voor het berekenen van de kracht die door de LPT op de spicule.
  9. Nadat de test is voltooid, draai de FODS micrometer linksom totdat de FODS is ten minste 5 mm van de LPT-spiegel. Vervolgens Verwijder voorzichtig de fase van de grondplaat fase.

figure-protocol-32
Figuur 5: Procedure voor het uitlijnen van de LPT met de trog ' s medio span en uitvoeren van een buigende test (A) de LPT is geplaatst onder de bovenkant van de nok van de Geul aan het eind van stap 5.1 van het protocol, maar het is nog niet geplaatst op mid span. (B) de positie van de LPT na het centreren van de procedure beschreven in stappen 5.2 en 5.3 van het protocol zijn voltooid. (C) A opname van een spicule genomen tijdens de buigende test. De verplaatsing van de dwarsdoorsnede van de spicule onder de LPT-, figure-protocol-33, schematisch is gemarkeerd. Schaal bars = 250 µm (A-C). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De meest elementaire uitgangen van enige mechanische test zijn de omvang van de kracht toegepast op het model en de verplaatsing op de locatie waar de kracht wordt uitgeoefend. In het geval van een drie-punt buigende test, het doel is het verkrijgen van de omvang van de kracht die door de LPT-, figure-results-1 , en de verplaatsing van het specimen dwarsdoorsnede onder de LPT-in de

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verschillende stappen van het protocol zijn bijzonder belangrijk om ervoor te zorgen dat krachten en verplaatsingen nauwkeurig worden gemeten. Terwijl sommige van deze kritische stappen universeel voor alle drie-punt buigende tests zijn, zijn anderen uniek voor deze mechanische beproevingstoestel.

In stap 1.2 van het protocol de LP spiegel wordt gereinigd en geïnspecteerd op krassen en in stap 1.6 van het protocol wordt de winst van de FODS is ingesteld. Het i...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gesteund door de National Science Foundation [mechanica van materialen en structuren Program, verlenen nummer 1562656]; en de American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

```html

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36" x 48" isolatietafel met 4" CleanTop snijplankTMC63-563Isolatietabel
Differentiële schroefregelingThorlabsDAS110Voor niveauplaat
1" Reismicrometerkop met 0.001" IndelingenThorlabs150-801MEVoor niveauplaat
Rechte hoekbeugel voor PT Series Translatie Stadia, 1/4"-20 MontagegatenThorlabsPT102Voor microscoopmontage
1" Dovetail Translatie Stadium, 1/4"-20 DraadThorlabsDT25Voor microscoopmontage
1" Translatie Stadium met 1/4"-170 Regelschroef, 1/4"-20 DraadThorlabsPT1BVoor microscoopmontage
12" Lengte, Dovetail Optische RailEdmund Optics54-401Voor microscoopmontage
2.5" Breedte, Dovetail DragerEdmund Optics54-404Voor microscoopmontage
0.5" Breedte, Dovetail DragerEdmund Optics54-403Voor microscoopmontage
InfiniTube Montage C-Klem met ¼-20Edmund Optics57-788Microscoopcomponent
Standaard (zonder In-Line Bijlage), InfiniTubeEdmund Optics56-125Microscoopcomponent
Standaard In-Line Bijlage (Geoptimaliseerd bij 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Microscoopcomponent
Mitutoyo/Achrovid Objectief Adapter (M26 naar M27)Edmund Optics53-787Microscoopcomponent
5X Infinity Achrovid Microscoop ObjectiefEdmund Optics55-790Microscoopcomponent
0.316" ID, Glasvezeladapter SX-6Edmund Optics38-944Microscoopcomponent
¼" x 36", Flexibele Glasvezel LichtgeleiderEdmund Optics42-347Microscoopcomponent
115V, MI-150 Glasvezel Verlichter met IR-Filter en HouderEdmund Optics55-718Microscoopcomponent
Allied Vision Manta G-223 2/3" Kleur CMOS CameraEdmund Optics88-452Microscoopcomponent
Voeding voor Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics68-586Microscoopcomponent
1/4" Reis Enkele As Translatie StadiumThorlabsMS1SFODS micrometer
Analoge Reflectie Afhankelijke Glasvezel VerplaatsingssensorPhiltecD20FODS
30V, 3A DC VoedingAgilentU8001AVoeding voor DAQ en FODS
14-Bit, 48 kS/s Laaggeprijsde Multifunctionele DAQNational InstrumentsUSB-6009DAQ voor FODS
Drie As Motoriseerde Translatie StadiumThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/MTranslatiestadium
T-Cube DC Servo Motor ControllerThorlabsTDC001Motorcontroller voor stadium
T-Cube VoedingThorlabsTPS001Voeding voor motorcontroller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsGebruikt voor het uitvoeren van software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)National InstrumentsGebruikt voor het uitvoeren van software
Nikon Eclipse Ci-POL HoofdlichaamMVIMDA96000Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon Pi Tussenbuis met Analyzer SliderMVIMDB45305Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon Dia-PolarisatorMVIMDN11920Gepolariseerd lichtmicroscoop
Stroomkabel - 7'6"MVI79035Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon P-Amh Mechanische StageMVIMDC45000Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon Lwd Achromat CondenserMVIMBL16100Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon LV-NBD5BD-CH Handmatig Quint Nosepiece ESDMVIMBP60125Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon C-TF Trichroombuis FMVIMBB93100Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon CFI 10X Oogstuk FN 22mm NCMVIMAK10110Gepolariseerd lichtmicroscoop
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjectiefMVIMUE42100Gepolariseerd lichtmicroscoop
Venus Bloem Mandje SponsDenis BrandN/ASponskelet
3.5X Hoofdband Opvouwbare VergrootglasMcMaster Carr1490T5Gebruikt voor spicula sectie
Ø1" Silicium Wafer, Type P / <100>Ted Pella16011Gebruikt voor laadpunt spiegel
Low Lint Taper Tip Katoenen WattenstaafjeMcMaster Carr71035T31Gebruikt voor het schoonmaken van LP spiegel
Rubber grip precisiemesMcMaster Carr35575A68Gebruikt voor het sectioneren van spicula
Microscoopglazen, gematteerd einde, 75 x 25 x 1mmTed Pella260409Gebruikt voor het sectioneren van spicula
Sable Borstels, #00000, 0.08mm B x 4.0mm LTed Pella11806Gebruikt voor het hanteren van spicula
PELCO Pro Hoge Precisie Pincet, extra fijne punten, superieure afwerkingTed Pella5367-5NMGebruikt voor het hanteren van spicula
Duaal As Lineaire Schaal MicrometerEdmund Optics58-608Gebruikt voor het kalibreren van de microscopen
FLEX-A-TOP FT-

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
  3. Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
  4. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
  5. Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
  6. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
  7. Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , In Press (2017).
  8. Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
  9. Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
  10. Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
  11. Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
  12. Gudlavalleti, S. Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology (2002).
  13. Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
  14. Waters, J. F. Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , Doctoral dissertation, Brown University (2009).
  15. Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
  16. Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
  17. Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
  18. Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
  19. Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
  20. Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
  21. Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
  22. Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
  23. Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
  24. Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
  25. Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
  26. Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
  27. Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , Springer Verlag. 796-808 (2011).
  28. Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
  29. Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
  30. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
  31. Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. Errors associated with flexure testing of brittle materials. , Army Lab Command Watertown MA Material Technology Lab. No. MTL-TR-87-35 (1987).
  32. Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
  33. Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Marine Sponge SpiculesThree Point BendingFlexural Testing SystemMechanical PropertiesBiological StructuresForce DisplacementCantilever StiffnessFiber Optic SensorLoad Point TipSample Stage

Related Articles