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.
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Artigo de método
Um milímetro escala Flexural sistema de testes para medir as propriedades mecânicas de espículas de esponja marinha
Neste artigo
Resumo
Resumo
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.
Introdução
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....
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Protocolo
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.
Figura 3: procedimento para montagem cantilever força sensor e medição sua rigidez. Ponto (A) a....
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Resultados
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, 
e o deslocamento de seção transversal do espécime sob o LPT no 
direção,
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Discussão
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 .......
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Divulgações
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecimentos
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].
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 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 |
Referências
- 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).
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Reimpressões e permissões
