Um milímetro escala Flexural sistema de testes para medir as propriedades mecânicas de espículas de esponja marinha

Michael A. Monn; Jarod Ferreira; Jianzhe Yang; Haneesh Kesari

doi:10.3791/56571

Method Article

Um milímetro escala Flexural sistema de testes para medir as propriedades mecânicas de espículas de esponja marinha

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

Michael A. Monn¹ , Jarod Ferreira¹ , Jianzhe Yang¹ , Haneesh Kesari¹

¹School of Engineering, Brown University

Summary

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

Apresentamos um protocolo para a realização de testes de flexão de três pontos no sub milímetros fibras de escala usando um dispositivo de teste mecânico custom-built. O dispositivo pode medir forças que variam de 20 µN até 10 N e, portanto, pode acomodar uma variedade de tamanhos de fibra.

Abstract

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

Muitos carga rolamento estruturas biológicas (LBBSs) — como rachises pena e espículas — são pequenas (< 1 mm) mas não microscópicas. Medindo o comportamento à flexão destes LBBSs é importante para compreender as origens de suas funções mecânicas notáveis.

Descreveremos um protocolo para realização de testes de flexão de três pontos usando um dispositivo de teste mecânico personalizado que pode medir forças que variam de 10^-5 a 10¹ N e deslocamentos variando de 10^-7 a 10^-2 m. A principal vantagem deste dispositivo mecânico de testes é que as capacidades de força e o deslocamento podem ser facilmente ajustadas para LBBSs diferentes. Princípio de funcionamento do dispositivo é semelhante de um microscópio de força atômica. Ou seja, a força é aplicada para a LBBS por um ponto de carga que é anexado ao fim de um cantilever. O deslocamento do ponto de carga é medido por um sensor de deslocamento óptica de fibra e convertido em uma força usando a rigidez cantilever medido. Intervalo de força do dispositivo pode ser ajustado usando cantilevers de diferentes stiffnesses.

Os recursos do dispositivo são demonstrados através da realização de testes de flexão de três pontos sobre os elementos esqueléticos da esponja marinha Euplectella Aspersório. Os elementos esqueléticos — conhecido como espículas — são fibras de sílica que são aproximadamente 50 µm de diâmetro. Descrevemos os procedimentos para calibrar o aparelho de teste mecânico, as espículas de montagem em um dispositivo elétrico flexão de três pontos com uma extensão de mm ≈1.3, e realizando uma flexão de teste. Medem-se a força aplicada para o spicule e sua deflexão no local da força aplicada.

Introduction

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

Ao estudar as arquiteturas de estruturas biológicas (LBBSs), tais como shell e osso de rolamento da carga, os engenheiros desenvolveram novos materiais compósitos que são forte e duro ¹. Ficou demonstrado que as propriedades mecânicas notáveis de LBBSs e os seus homólogos de bio-inspirado estão relacionadas com suas arquiteturas internas intricadas ². No entanto, as relações entre arquiteturas LBBS e propriedades mecânicas não são totalmente compreendidas. Resposta mecânica de um LBBS de medição é o primeiro passo para entender como sua arquitetura melhora suas propriedades mecânicas.

No entan....

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

Protocol

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

1. montagem e alinhamento

escolher um cantilever cuja rigidez é apropriado para a experiência pretendida. Anexe o LP para o cantilever usando #4-40 cabeça parafusos sextavados de cabeça (SHCSs) (ver Figura 3). Tome cuidado para não plasticamente deformar os braços cantilever enquanto anexar o LP.

figure-protocol-1
Figura 3: procedimento para montagem cantilever força sensor e medição sua rigidez. Ponto (A) a....

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

Results

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

As saídas mais básicas de qualquer teste mecânico são a magnitude da força aplicada para a amostra e o deslocamento no local onde a força é aplicada. No caso de um teste de flexão de três pontos, o objetivo é obter a magnitude da força aplicada pelo LPT, figure-results-1 e o deslocamento de seção transversal do espécime sob o LPT no figure-results-2 direção,

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

Discussion

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

Diversas etapas do protocolo são particularmente importantes para garantir que as forças e deslocamentos são medidos com precisão. Enquanto alguns destes passos críticos são universais para todos os testes de flexão de três pontos, outras são exclusivas para este dispositivo de teste mecânico.

Na etapa 1.2 do protocolo o espelho LP é limpo e inspecionado por arranhões e passo 1.6 do protocolo encontra-se o ganho FODS. É importante para o ganho e a refletância .......

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

Disclosures

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

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgements

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

Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation [mecânica de materiais e estruturas programa, atribuir número de 1562656]; e a sociedade americana de engenheiros mecânicos [Haythornthwaite Young Investigator Award].

....

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

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Mesa de isolamento TMC 36" x 48" com placa de ensaio CleanTop de 4"	Ajustador	da mesa de isolamento TMC	63-563
	Thorlabs	DAS110	Para placa de nivelamento de palco
Cabeça de micrômetro de viagem de 1" com graduações de 0,001"	Thorlabs	150-801ME	Para placa de nivelamento de palco
Suporte de ângulo reto para estágios de translação da série PT, 1/4"- 20 Furos de Montagem	Thorlabs	PT102	Para montagem em microscópio
Estágio de Tradução em Cauda de Andorinha de 1", Torneiras de 1/4"-20 Thorlabs		DT25	Para montagem em microscópio
Estágio de Tradução de 1" com Parafuso de Ajuste de 1/4"-170, Torneiras de 1/4"-20 Thorlabs		PT1B	Para montagem em microscópio
Comprimento de 12", Trilho Óptico de Cauda de Andorinha	Edmund Optics	54-401	Para montagem de microscópio
2,5" de largura, suporte de cauda de andorinha	Edmund Optics	54-404	Para montagem de microscópio
de 0,5" de largura, suporte de cauda de andorinha	Edmund Optics	54-403	Para montagem de microscópio
InfiniTube Montagem C-Clamp com ¼-20	Edmund Optics	57-788	Componente de microscópio
Padrão (sem acessório em linha), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	Componente do microscópio
Acessório em linha padrão (otimizado em 2X-10X), InfiniTube	Edmund Optics	56-126	Componente do microscópio
Adaptador de objetiva Mitutoyo/Achrovid (M26 a M27)	Edmund Optics	53-787	Objetiva
microscópio 5X Infinity Achrovid Componente	microscópio
Edmund Optics 55-7900.316" ID, Adaptador de Fibra Óptica SX-6	Edmund Optics	38-944	Componente de microscópio
¼ " x 36", Guia de Luz de Fibra Óptica Flexível	Componente de Microscópio	Edmund Optics	42-347
115V, Iluminador de Fibra Óptica MI-150 com Filtro IR e Suporte	Microscópio	Edmund Optics	55-718
Allied Vision Manta G-223 Câmera CMOS Colorida de 2/3"	Componente de Microscópio	Edmund Optics	88-452
Fonte de Alimentação para Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike	Edmund Optics	68-586	Componente do microscópio
1/4" Estágio de tradução de eixo único de viagem	Thorlabs	MS1S	FODS micrômetro
Sensor de deslocamento de fibra óptica dependente de refletância analógica	Philtec	D20	FODS
30V, 3A Fonte de alimentação DC	Agilent	U8001A	Fonte de alimentação para DAQ e FODS
14 bits, 48 kS/s DAQ multifuncional de baixo custo	nacional Instrumentos	USB-6009	DAQ para FODS
Estágio de Tradução Motorizado de Três Eixos	Thorlabs	Thorlabs T25 XYZ-E / M	Estágio de Tradução
T-Cube DC Servo Motor Controller	Thorlabs	TDC001	Controlador de motor para estágio
T-Cube Fonte de alimentação	Thorlabs	TPS001	Fonte de alimentação para controlador de motor
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	National Instruments		Usado para executar software
Software de aquisição de visão LabVIEW da National Instruments (2016)	National Instruments		Usado para executar software
Nikon Eclipse Ci-POL Corpo principal	MVI	MDA96000	microscópio de luz polarizada
Tubo intermediário Nikon Pi com controle deslizante analisador	MVI	MDB45305	microscópio
de luz polarizadaMicroscópio de luz polarizada Nikon Dia-Polarizer	MVI	MDN11920
Cabo de alimentação - 7'6"	MVI	79035	Microscópio de luz polarizada
Nikon P-Amh Mechanical Stage	MVI	MDC45000	Microscópio de luz polarizada
Nikon Lwd Achromat Condensser	MVI	MBL16100	Microscópio de luz polarizada
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD	MVI	MBP60125	Microscópio de luz polarizada
Nikon C-TF Trinocular Tube F	MVI	MBB93100	Microscópio de luz polarizada
Nikon CFI 10X Ocular FN 22mm NC	MVI	MAK10110	Microscópio de luz polarizada
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective	MVI	MUE42100	Microscópio de luz polarizada
Venus Flower Basket Sponge	Denis Brand	N/A	Esqueleto de esponja
3.5X Headband Flip-Up Magnifier	McMaster Carr	1490T5	Usado para seccionamento de espículas
Ø Wafer de silício de 1", tipo P / < 100>	Ted Pella	16011	Usado para espelho de ponto de carga
Cotonete de Ponta Cônica de Baixa Lint	McMaster Carr	71035T31	Usado para limpar espelho LP
Faca de precisão de borracha	McMaster Carr	35575A68	Usado para seccionar espículas Lâminas de
microscópio, extremidade fosca, 75 x 25 x 1mm	Ted Pella	260409	Usado para seccionar espículas
Escovas de zibelina, #00000, 0,08 mm L x 4,0 mm C	Ted Pella	11806	Usado para manusear espículas Pinças
de alta precisão PELCO Pro, pontas extra finas, acabamento superior	Ted Pella	5367-5NM	Usado para manusear espículas
Micrômetro de escala linear de eixo duplo	Edmund Optics	58-608	Usado para calibrar os microscópios
FLEX-A-TOP FT-38 CAS	Recipientes de plástico ESD	FT-38-CAS	Usado para armazenar espículas
Frasco de plástico Bullseye Level	McMaster Carr	2147A11	Usado para nivelar o estágio
Balança Analítica	Mettler Toledo	MS105DU	Usado para massa de pesos de calibração

de parafuso diferencial Componente do microscópio de do Componente de

References

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

Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).

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

Um milímetro escala Flexural sistema de testes para medir as propriedades mecânicas de espículas de esponja marinha

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles