Karakterisering van Multi-layered Fish Scales ( Atractosteus spatel) Met behulp Nanoindentation, röntgen-CT, FTIR en SEM

Het algemene doel van deze procedure is om de structuur, chemie en mechanische eigenschappen van meerlagige gemineraliseerde visschubben te bepalen door middel van röntgencomputertomografie, nano-indentitie voor transformatie-infraroodspectroscopie en rasterelektronenmicroscopie gekoppeld aan energiedispersieve röntgenspectroscopie. Dit wordt bereikt door eerst de afzonderlijke schubben voor te bereiden op analyse door het zachte weefsel van de schubben te verwijderen, de schubben te monteren en te snijden, en vervolgens stapsgewijs te polijsten. De tweede stap is om ruimtelijk gecorreleerde nano-indentitie uit te voeren langs de dwarssectie van de schub met een diamant percovich tip om de lokale nanomechanische eigenschappen te bepalen.

Vervolgens worden de binnenste en buitenste visschublagen onderzocht met een FTIR-microscoop om de belangrijkste functionele groepen in de respectieve lagen te identificeren. De laatste stap is om de EDX-detector op de rasterelektronenmicroscoop te gebruiken om de lokale chemische samenstelling te correleren met de nano-indentitie in de visschubben en om afbeeldingen van de indrukken in de verschillende lagen en breukoppervlakken vast te leggen. Uiteindelijk worden door het combineren van deze verschillende experimentele technieken de natuurlijke ontwerpprincipes van gemineraliseerde visschubben verduidelijkt door middel van een begrip van de structuur-eigenschapsrelaties.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van andere bestaande testmethoden zoals bulkstatistische nano-indentitie, is dat het echt een directe correlatie biedt tussen chemische samenstellingstructuur en lokale mechanische eigenschappen. In gebieden van belang hebben we deze methode echter echt toegepast om de ruimtelijke verdeling en chemische samenstellingstructuur en mechanische eigenschappen in structurele biomaterialen te bestuderen. Het heeft ook veel toepassingen, waaronder cementgebaseerde materialen, composietmaterialen met meerdere fasen en echt elk type heterogeen materiaal dat die heterogeniteit vertoont op micrometer- en nanometerlengteschaal.

Om een dwarsdoorsnede van een dwarsdoorsnede van een visschub te onderzoeken, houdt u de visschub in een monstermal met een diameter van 32 millimeter, met behulp van een commercieel verkrijgbare kunststof monstershouder om het monster correct te richten tijdens het monteren in de epoxy. Zodra het monster in de mal wordt gehouden, giet u een ongeharde epoxy op het monster. Laat de epoxy uitharden volgens de richtingen van de fabrikant, en snijdt u het gemonteerde monster met behulp van een diamantblad met hoge precisie in het midden van het monster.

Zodra het monster in de nano- en tandenter is geladen, gebruikt u de software-bediening om het monster naar de locatie voor de eerste indruk te verplaatsen, voert u vier parallelle rijen indrukken uit met een afstand van 15 micrometer om een statistisch significante dataset te verkrijgen die op deze locatie begint. Stel vervolgens de nano-indentitie in op een maximale belasting van vijf millinewton met laad- en loslasten van 0,1 millinewton per seconde, een volledige tijd van 30 seconden en een minimale afstand tussen de indrukken van vijf micrometer voor elke rij. Wanneer de batch is voltooid, creëert de helft van de nano-indentitie fiducial-indrukken met een maximale belasting van 100 millinewton bij de eerste en laatste indruk, die respectievelijk in de epoxy moeten zijn vóór de anoe-laag en na de botlaag.

Na nano-indentitie plaatst u het monster terug in de PBS-oplossing om verdere uitdroging te voorkomen. Monteer het monster zo stevig dat de langste afmeting parallel is aan de detector. Na het instellen van de scanner, bevestigt u het gemonteerde monster aan de scanner-trap met behulp van materialen die transparant zijn voor röntgenstralen, zoals piepschuim en paraform.

Positioneer het monster zo dat het in het centrum van de rotatie zal zijn. Gedurende de scan selecteert u de hoogste resolutie die toestaat dat de hele schaal in het gezichtsveld is, wat in dit geval 7,5 micrometer is. Na de data-acquisitie reconstrueert u de röntgenprojectiebeelden om een dataset te maken met doorsnedebeelden.

Gebruik vervolgens de software om de uiteindelijke 3D-grijsschaalafbeelding te verkrijgen. Pas de grijstinten aan op een geschikt niveau aan om de artefacten van het piepschuim en de paraform te verwijderen. Voor SEM of rasterelektronenmicroscopie beeldvorming van nano-indrukken op het gepolijste monster, bevestigt u het monster aan een SEM-stub met behulp van dubbelzijdig koolstoftape met de geïndentificeerde oppervlakte naar boven. Plaats vervolgens het monster in de SEM-kamer en pomp de kamer in lage vacuümmodus.

Pas de werkafstand aan tussen de 3,0 en 5,0 millimeter. Activeer de hoge spanning en navigeer naar de gebieden van belang op het monster, die in dit geval de structuren zijn die aanwezig zijn in de anoe- en botlagen. Verkrijg vervolgens beelden bij tussen vijf kilovolt en 15 kilovolt hoge spanning en een lagere bundelstroom van 3,9 nanoamps.

Om de resolutie te verbeteren, legt u beelden vast van minimaal drie gebieden van belang bij 250 x tot 10.000 x vergroting met behulp van de lagedruk-terugverstrooide elektronendetector (BSE) om de identificatie van veranderingen in bio mineraalgehalte en dichtheid te vergemakkelijken. Navigeer vervolgens naar een gebied van belang op het gepolijste specimen dat een nano-indentitieraster omvat, aangegeven door fiducialmarkeringen aan het einde van elke lijn met indrukken. Zorg ervoor dat de hoge spanning minimaal 15 kilovolt is.

De bundelstroom is minimaal 3,9 nanoamps en de werkafstand is groter dan 5,0 millimeter. Leg vervolgens de terugverstrooide elektronenafbeelding van het te analyseren gebied vast met behulp van EDX. Gebruik EDX-analysesoftware.

Leg dezelfde afbeelding vast om gebieden te lokaliseren voor chemische analyse langs de lijn met indrukken. Gebruik vervolgens de lijnanalysetechniek om een lijn te plaatsen om chemische analyse uit te voeren langs de geïnteresseerde lijn van indrukken, beginnend bij de eerste indruk en eindigend bij de laatste indruk. Geef het aantal analysepunten op dat langs de lijn moet worden geplaatst met behulp van hetzelfde aantal als het aantal aanwezige indrukken om een directe ruimtelijke correlatie te bieden tussen de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen.