Method Article

Миллиметр на изгиб тестирования системы шкалы для измерения механических свойств морской губкой спикулы

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

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

Мы представляем протокол для выполнения 3 точка изгиба тесты на суб миллиметровой шкалы волокон с помощью заказных механическое устройство тестирования. Устройство можно измерить силы, начиная от 20 µN до 10 N и поэтому может вместить различных размеров волокна.

Abstract

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

Многие нагрузки с учетом биологических структур (LBBSs) — например, перо rachises и спикулы — маленькие (< 1 мм), но не микроскопические. Измерения изгиба поведение этих LBBSs важно понять происхождение их замечательной механических функций.

Мы описываем протокол выполняет три точки изгиба тестов с помощью заказных механические испытания устройство, которое можно измерить сил от 10-5 до 101 N и перемещения, начиная от 10-7 до 10 м-2 . Основное преимущество этого механические испытания устройства является, что силы и перемещения мощностей может быть легко приспособлено для различных LBBSs. Устройство и принцип работы аналогичен атомно-силового микроскопа. А именно сила применяется для LBBS точку нагрузки, которая прилагается к концу кантилевера. Точка водоизмещение измеряется датчиком волоконно оптические перемещения и преобразован в силу, используя измеренные консольные жесткость. Диапазон силы может быть отрегулирован с помощью кантилеверы различных жесткость.

Демонстрируются возможности устройства, выполнив три точки изгиба тесты на скелетных элементов морской губки Euplectella aspergillum. Скелетных элементов — известный как спикулы — кремния волокна, которые являются около 50 мкм в диаметре. Мы описываем процедуры для калибровки механические испытания устройство, монтаж спикулы на три точки изгиба арматуре с пролетом мм ≈1.3, и выполнять изгиб теста. Измеряется усилие костных и его отклонения в месте расположения приложенной силы.

Introduction

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

Изучая архитектуры несущей биологических структур (LBBSs), таких как shell и кости, инженеры разработали новые композиционные материалы, которые являются как сильные, так и жесткие 1. Было показано, что замечательный механических свойств LBBSs и их коллеги, био вдохновил, связаны с их сложной внутренней архитектуры 2. Однако отношения между LBBS архитектуры и механических свойств полностью не поняты. Измерительные механические ответ LBBS является первым шагом на пути понимания, как ее архитектура повышает ее механические свойства.

Однако важно, что тип теста, используемых для измерения механических ответ LBBS согласуется с его механическую функцию. Например поскольку перья должны поддерживать аэродинамических нагрузок, основная функция перо рахиса является обеспечить прочность на изгиб 3. Таким образом испытание на изгиб является предпочтительным для одноосного напряженности тест для измерения механических ответ. В самом деле, многие LBBSs — например, перо rachises 3, трава стебли 4и спикулы 5,6,,78— главным образом деформируется при изгибе. Это потому что стройная эти LBBSs —т.е., длина их гораздо больше, чем их ширина или глубина. Однако, изгиб испытаниях на этих LBBSs является сложной задачей, потому что силы и перемещений, которые они могут выдерживать до сбоя в диапазоне от 10-2 до 10 10-4 до 10-3 м, соответственно 3 и2 N , 4 , 5 , 7 , 8. Таким образом, устройство, используемое для выполнения этих механических испытаний должны иметь силу и перемещения резолюций ≈10-5 N и ≈10-7 m (т.е., 0.1% максимальная измеримых силы и перемещением сенсора), соответственно.

Коммерчески доступных, большого масштаба, механических испытаний систем обычно не могут измерить силы и перемещения с этой резолюции. В то время как атомно-силовой микроскоп основе 9,10 или микроэлектромеханических систем на базе 11 тестирования устройства имеют надлежащее разрешение, максимальная сила (соответствующих перемещений) они могут измерять меньше, чем Максимальная сила (соответствующих перемещений), LBBS может выдержать. Таким образом выполнять изгиб тесты на эти LBBSs, инженеры и ученые должны полагаться на заказ механических испытаний устройств 5,7,12,13. Основным преимуществом этих заказных устройств является, что они могут разместиться большие ряды сил и перемещения. Однако строительства и эксплуатации этих устройств не очень хорошо документированы в литературе.

Протокол описан выполняет три точки изгиба тестов с помощью заказных механические испытания устройство, которое можно измерить сил от 10-5 до 101 N и перемещения, начиная от 10-7 до 10 м-2 . Технические чертежи, включая все аспекты, компонентов механических испытаний устройства приводятся в дополнительных материалах. Основным преимуществом этого механические испытания устройства является диапазоны силы и перемещения можно легко скорректировать с учетом различных LBBSs. Устройство и принцип работы аналогичен атомно-силовой микроскоп 9. В этом устройстве, образец помещается через траншею, сократить в пластиной из нержавеющей стали (см. рис. 1A-C). Весь спектр траншеи измеряется от оптической микроскопии быть 1278 ± 3 μm (среднее ± стандартное отклонение; n = 10). Края траншеи поддерживают образца во время испытания на изгиб (см. Рисунок 1 cи D). Этот пример стадии придает этап 3 оси вращения и расположены под алюминий клин, так что клин расположен на полпути через траншею промежуток (см. рис. 1C). Перемещая на этапе figure-introduction-1 направлении (см. рис. 1Aи C), образец помещается в клин, вызывая образца согнуть.

Мы ссылаемся на клин как нагрузки точки оконечности (LPT) и компонент устройства, содержащего клина как точки нагрузки (LP). LP прилагается к концу кантилевера, чьи смещение измеряется волоконно оптические перемещения датчик (FODS). FODS излучает инфракрасный свет, который отражается офф зеркало расположен на верхней поверхности пластинки (см. рис. 1Б) и получил в оптическом волокне в FODS. ≈5 мм квадратный кусок полированной кремниевой пластины используется как зеркало LP и прикрепляется к LP, с использованием эпоксидной смолы. FODS меры перемещений путем сравнения интенсивности излучаемого и отраженного света. Консольные жесткость и перемещения используются для вычисления силы, figure-introduction-2 , опытным путем клина за счет его взаимодействия с образца. Перемещения кантилевера также используется для вычисления перемещение поперечного сечения образца под клин, figure-introduction-3 . Датчики на основе консольные силы были использованы в ряде микро - и макро масштабе механических испытаний исследования 10,11,12,13,14. Специфический дизайн, здесь представлены приспособлен от механических испытаний устройство, используемое для выполнения клей контакт экспериментов 14. Также был использован аналогичный дизайн в коммерчески доступных микро трибометра 15,16.

figure-introduction-4
Рисунок 1: обзор по плану механического тестирования устройства. (A) A автоматизированного проектирования рендеринга устройства. Стадии компоненты будут выделены зеленым цветом. Силы, зондирования конструкции (консольные, нагрузки точки (LP)) будет выделена красным цветом. (B) увеличенное представление (A). LP зеркало показаны синим цветом на верхней поверхности пластинки под FODS и обозначается LPM. (C) система координат, используемая для описания движения на этапе перевода. При выравнивании the этап на шаге 1.9 Протокола, figure-introduction-5 направлении производится совпадает с вектором нормали к поверхности зеркала LP. (D) A схема трехточечного изгиб конфигурации показаны деформация костных и измерения перемещений figure-introduction-6 , и figure-introduction-7 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Демонстрируются возможности устройства, выполнив три точки изгиба тесты на скелетных элементов морской губки. Euplectella aspergillum6,7 Это Губка скелет является сборкой нитей, называется спикулы (см. Рисунок 2). Спикулы ≈50 µm толщиной и состоит главным образом из кремнезема 6. На основе biosilica спикулы находятся в губки, относящихся к классам, Demospongiae, Homoscleromorpha и Hexactinellida. Губки, например э. aspergillum, которые относятся к классу Hexactinellida также известен как «стеклянных губок.» В то время как спикулы губок стекла состоят главным образом из кремнезема, было показано, что кремний часто содержит органической матрицы, состоящий из либо коллаген 17,18 или хитин 19,20 , 21. Этот органической матрицы играет важную роль в кварцевый biomineralization 18,20. Кроме того в некоторых спикулы органической матрицы также служит шаблон для biomineralization кальция 22. В дополнение к распространяется в пределах кремнезем, органической матрицы могут также образовывать различные слои, которые секционировать спикулы кремнезема в концентрические, цилиндрические ламелями 6,23. Было показано, что это концентрические, пластинчатые архитектура может повлиять на спикулы деформации поведение 6,,78,24,25,26 . Следовательно, спикулы механических свойств определяются сочетанием их химии (т.е., химическая структура композитного кремний белка) и их архитектура 27. Химическая структура и архитектура стекла Губка спикулы находятся в стадии расследования 24,,2829.

Большинство спикулы в э. aspergillum укрепил вместе сформировать жесткой скелетных клетке. Однако на базе скелета есть пучок очень долго спикулы (≈10 см), известный как якорь спикулы, (см. Рисунок 2). Мы описываем протокол для выполнения 3 точка изгиба испытания на малых участках спикулы якорь.

Шаг 1 протокола описана процедура монтажа и выравнивания компонентов под заказ механического тестирования устройства. Шаги 2 и 4 протокола предоставляют инструкции для создания калибровки данных, используемый для вычисления силы и перемещения в испытание на изгиб. Шаги, предпринятые для подготовки раздела костных и смонтировать его на испытательной арматуре описанных в шаге 3. Процедура проведения испытания на изгиб в разделе спикулы описано в шаге 5. Наконец, в разделе Результаты представитель калибрационных данных полученных в шагах 2 и 4 используются наряду с изгиб тестовые данные, полученные на шаге 5 для вычисления figure-introduction-8 и figure-introduction-9 .

figure-introduction-10
Рисунок 2: Процедура секционирование и проверяющ спикулы э. aspergillum. (A) скелет э. aspergillum. Клок свободностоящая якорь спикулы показано на базе скелета. Линейки шкалы. ~ 25 мм (B) которую один якорь спикулы удерживается на месте на слайде микроскопа с помощью #00000 красный соболя кисти и секционного с помощью лезвия бритвы. Линейки шкалы является ~ 12 мм. (C) раздела E. aspergillum спикулы пересекают траншеи на сцене образца. Края траншеи и траншеи хребту подчеркнул чирок и оранжевый, соответственно. Спикулы помещается против хребте траншею обеспечить, чтобы его ось перпендикулярна края траншеи. (D) A Микрофотография спикулы, который проходит процедуру проверки, описанные в Шаг 3.4 протокола, который описывает, как определить, если спикулы раздел поврежден и должен быть уничтожен. (E) A Микрофотография спикулы, содержащие много трещин и пропавших без вести большие разделы кремнезема слоев, которые бы не процедуры проверки, описанные в Шаг 3.4 протокола. Масштаб баров = 250 мкм (C), 100 мкм (D) и 100 мкм (E). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

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

Protocol

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

1. Ассамблея и выравнивание

  1. выбрать консольные, чьи жесткость подходит для предполагаемого эксперимент. Придаем LP консольные с помощью #4-40 Кап винта (SHCSs) (см. рис. 3 А). Будьте осторожны, чтобы не пластически деформироваться консольные оружия придавая LP.

figure-protocol-1
Рисунок 3: процедуры для монтажа консольные силы датчик и измерения его жесткость. (A) нагрузки точки (LP) прилагается к консольные (C), с наконечником точки нагрузки (LPT), указал вверх. (B) консольные и LP конструкции прилагается к консольные плиты, обозначается как CP. Утопленные карман пластину консольные отображается под консольные оружия. (C) консольные плиты прилагается к нижней части кадра, таким образом, чтобы перед стороне пластины, показано в пункте (B) figure-protocol-2 направление. Микрометр FODS обозначается как FM. (D) проволоки крючок и калибровка весов, используемых в Шаг 2 протокола указаны висит от отверстие в LPT. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

  1. нанести несколько капель 2-пропанол к Линт бесплатные ватным тампоном и протрите поверхность зеркала LP. Осмотрите зеркало для царапин и заменить зеркало, если он поврежден.
  2. Слабо прикрепить кантилевера на консольные пластину с помощью #6-32 SHCSs на стороне пластины, содержащие Утопленный карман с LPT, указывая от плиты (см. Рисунок 3 B). Вставьте в 1/8 " направляющие контакты через консольные и плита, затяните винты и затем Удалить направляющие контакты.
  3. Отозвать FODS насколько это возможно, повернув по часовой стрелке микрометр FODS (см. рис. 3 C). Слабо прикрепить пластину консольные к раме с помощью #6-32 SHCSs с LPT, указывая в figure-protocol-3 направлении (см. рис. 1 А). Вставьте в 1/8 " направляющие контакты через рамку и консольные плиты, затяните винты и затем Удалить направляющие контакты (см. рис. 3 C).
  4. Включите питания и установите напряжение до 12.00 V в режиме постоянного напряжения с помощью регулятора. Затем включите выходного напряжения и подтвердите, что тока отображается на блок питания ' s LCD экран составляет примерно 60-70 мА. Подождите, по крайней мере один час для тока для достижения устойчивого состояния для уменьшения неопределенности измерений напряжения.
  5. Откройте и запустите программу Basic_Data (см. файлы дополнительного кода). Поверните по часовой стрелке, чтобы переместить FODS сторону LP зеркало до тех пор, пока напряжение на выходе, отображаются на графе интерфейса пользователя достигнет максимального значения FODS микрометра (см. рис. 3 C и 4 рисунок A).
    1. Регулировка усиления FODS, повернув набор винты на стороне корпуса FODS так, что напряжение выход 5.0 V. поворот по часовой стрелке, чтобы убрать FODS FODS микрометра.
  6. Включите Микроскоп осветитель и отрегулировать положение микроскоп и сосредоточить внимание, с использованием двух этапов ручной перевод, так что LPT центрируется в поле зрения. Остановить Basic_Data программу, нажав ' остановить ' кнопку.
  7. Открытое программное обеспечение интерфейс пользователя контроллер двигателя. Используйте бегунок потенциометра на figure-protocol-4 -контроллер двигателя оси переехать на максимально допустимого поездки в стадии < img alt = «Уравнение 6» src = «/ файлы/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg» / > направление и установить исходное положение, нажав ' дома ' кнопку в интерфейсе пользователя.
    1. Использование потенциометра ползунок на figure-protocol-5-контроллер двигателя оси переехать на максимально допустимого поездки в стадии figure-protocol-6 направление и установить исходное положение. Закройте пользовательский интерфейс программного обеспечения.
  8. Место этап этап приварная пластина (см. рис. 4 A) так, что советы микрометра головы на выравнивание пластина отдых в стадии фундаментной дерна. Установите уровень пузыря на таблице изоляции и отрегулировать давление в каждом из таблицы ' s ноги, повернув клапан рука пальца винты таким образом, чтобы поверхность уровня.
    1. Переехать в верхней части этапа, выравнивающая пластина уровень пузыря и отрегулировать микрометров, так что это также уровень. Обратите внимание на Микрометр позиции и удалить сцену из стадии основание. Примечание: Протокол может быть приостановлена здесь.

figure-protocol-7
Рисунок 4: механическое устройство тестирования как собрал в шаги 1.9 и 3.7 протокола. (A) стадии образца (СС), прикрепляется к стадии перевода (TS) и выравнивается с помощью микрометров на сцене, выравнивающая пластина (SLP), которые сидят на сцене Монтажная плита (СПР). Стадии пластина прикрепляется к оптических Макетная таблица изоляции. Консольные (C); Консольные плиты (CP); и волоконно оптические смещения датчика (FODS) составляют силы, воспринимая систему. (B) нагрузки точки (LP) прилагается к консольные и нагрузки точки оконечности (LPT) располагается над спикулы на сцене образца. Во время испытания на изгиб перемещение LP измеряется с помощью FODS. Начальное расстояние между FODS и LP зеркало контролируется FODS микрометра (FM) показано на (A). (C) A Микрофотография спикулы, прокладка через траншею в стадии образца, под LPT. Шкалы бар = 250 мкм (C). пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

2. измерения жесткости консольные

  1. запустить программу Basic_Data и повернуть, Микрометр FODS по часовой стрелке до выходного напряжения составляет приблизительно 4 V. остановить программу, нажав ' остановить ' кнопку.
  2. Измерить массу проволоки крючок и калибровка весов с помощью аналитического баланса.
  3. Открыть программу Cantilever_Calibration (см. дополнительный код файлы) и введите имя нужного файла для сил КалиРегулировка выходного файла в текстовом поле в пользовательском интерфейсе.
  4. Запуска программы Cantilever_Calibration и нажмите ' ОК ' при появлении запроса на ввод массы первой калибровке веса. Ждать для выходного напряжения, отображаться в графе интерфейса пользователя прекратить колеблющиеся и щелкните зеленый ' стабилизированного напряжения ' кнопку принять измерения напряжения.
  5. Использование пинцета повесить провод крюк из отверстия в LPT, так, чтобы крючок стоящие вдали от Микроскоп цели (см. Рисунок 3 D). Использовать пинцет для влажной вибрации консольные, вызванные добавлением крючок.
    1. Ввести массы крюк в граммах в диалоговом окне и нажмите кнопку ' ОК '. Как и в предыдущем шаге, ждать для выходного напряжения остановить осциллирующий перед нажатием кнопки ' стабилизированного напряжения ' кнопку.
  6. Использование пинцета повесить первый вес на проводе крюк и повторить процесс принятия измерения напряжения, как описано в предыдущем шаге. Повторите этот шаг, пока все калибровки весов повесили или выходное напряжение является менее 1,8 В. На данный момент, нажмите ' отменить ' в диалоговом окне для выхода из программы Cantilever_Calibration.
  7. Поверните по часовой стрелке, чтобы убрать FODS FODS микрометра. Осторожно извлеките крюк и весов из LPT.
    Примечание: В силу калибровки выходной файл является список с разделителями табуляции усилие в калибровочной массы, среднее 100 FODS выходного напряжения чтений и стандартное отклонение этих чтений. В разделе Результаты представитель описывает, как этот файл данных обрабатывается для измерения жесткости консольно.

3. Подготовка образца

  1. износа нитриловые перчатки при работе с е. aspergillum Губка скелеты и хранить скелеты в герметичные контейнеры, когда они не решаются.
    Предупреждение: Поскольку спикулы состоят главным образом из кремнезема, сломанной костных фрагментов острые и могут стать встроены в кожи, что приводит к раздражению.
  2. Использовать пинцет, чтобы понять один якорь спикулы дистального конца и вытащите его из скелета (см. Рисунок 2). Место на чистой микроскопа спикулы.
  3. Держите спикулы против слайд вблизи медианы по длине с помощью #00000 красный соболя кисти. Вырезать ≈ раздела 4 мм спикулы, нажав лезвие против спикулы по обе стороны кисти перпендикулярно к слайду поверхности (см. Рисунок 2 B). Отказаться от больших проксимальном и дистальном спикулы секций и держать ≈ Секция 4 mm.
  4. Проверить раздел 4-мм спикулы, под микроскопом поляризованного света при 10-кратном (см. рис. 2 C-E). Отменить раздел костных и вернуться к шагу 3.2, если это не хватает больших регионов слоев кремния (см. Рисунок 2 E). Обрабатывать секции инспектируемого спикулы, исключительно с помощью соболя кисти #00000 красный во избежание введения каких-либо новых повреждений их слои кремния.
  5. Очистить любые костных фрагментов или других частиц с поверхности образца этапа с помощью щетки или сжатым воздухом. Затем нанести несколько капель 2-пропанол к Линт бесплатные ватным тампоном и протрите стадии образца. Избегайте контакта с областями стадии не светоотражающей краской. Примечание: Краска используется для уменьшения числа зеркальных отражений в снимки, сделанные во время изгиба test.
  6. Секция спикулы передачи на сцену образца. Положение раздела спикулы через траншею с желаемого диапазона для испытания на изгиб и аккуратно вставьте его figure-protocol-8 направление против хребте траншеи. Убедитесь, что спикулы перпендикулярно края траншеи (см. рис. 2 C).
  7. Сиденье этап на стадии основание так, чтобы концы шпинделей микрометра отдых в стадии фундаментной дерна. Если необходимо, отрегулируйте микрометров на сцене, выравнивающая пластина для значения, отметил Шаг 1.9 протокола.

4. Напряжение смещение интерполяции файл

  1. Открыть программу Bending_Test (см. файлы дополнительного кода). Установите ' шаг размер ' до 2 мкм, ' максимальное смещение ' до 0,5 мм, ' низкого напряжения стоп ' до 1,5 V, и ' остановка высокого напряжения ' до 4.6 V, с помощью текстовых полей в пользовательском интерфейсе. Имя
    1. выберите нужное изображение и данных каталогов и выходного файла с помощью текстового поля в пользовательском интерфейсе. Установите ' сохранять изображения ' переключатель в пользовательском интерфейсе в положение вниз и нажмите зеленую кнопку прямоугольную под словами ' разница напряжения ' так, что она становится освещенная.
  2. Запустить программу Bending_Test и ждать мотор контроллер и камеры интерфейсов инициализации.
  3. Включите просветителя и отрегулировать яркость, так, что видна LPT. Поверните FODS микрометра по часовой стрелке до тех пор, пока напряжение на выходе, отображаться в графе интерфейса пользователя является ~1.7 против
    1. Использование потенциометра ползунок на figure-protocol-9-контроллер двигателя оси для перемещения на этапе figure-protocol-10 направлении до Это ~ 1 см ниже LPT и набор figure-protocol-11-положение оси дома, нажав " дома " кнопку.
  4. С помощью потенциометра ползунков на figure-protocol-12- и figure-protocol-13-оси мотора контроллеры позиционировать LPT над центром тонкой стальной полосы, расположенные на сцене образца в figure-protocol-14 направлении от траншеи. Используйте бегунок потенциометра на figure-protocol-15-контроллер двигателя оси для перемещения на этапе figure-protocol-16 направлении до стадии в Микроскоп ' поле зрения ф.
  5. Использовать бегунок потенциометра на figure-protocol-17-контроллер двигателя оси для перемещения на этапе figure-protocol-18 направлении при наблюдая за графа выходного напряжения в пользовательском интерфейсе. Определить приблизительное положение, при котором LPT контакты стадии ' поверхности s, глядя на изменение напряжения с дальнейшее движение сцены. Убрать стадии приблизительно 10 мкм.
  6. Нажмите кнопку с надписью " начать тест ". При появлении запроса введите значения 0,003 V и 0,001 мм для ' touch чувствительность ' и ' сенсорных покинуть размер шага ', соответственно. Подождите, для выполнения теста.
    Примечание: После этой точки, не удалить сцену из стадии основание до завершения для того, чтобы обеспечить точное перемещение измерения изгиба теста. Напряжение смещение интерполяции выходной файл представляет собой список с разделителями табуляции среднее 100 FODS выходного напряжения чтений и стандартное отклонение этих чтений вместе с figure-protocol-19- положение оси этап на каждой стадии перемещения приращения. В разделе Результаты представитель описывает, как этот файл данных используется для преобразования измеренного напряжения FODS LP перемещений.

5. Испытание на изгиб

  1. Открыть и запустить Basic_Data программа и поверните по часовой стрелке FODS микрометр выходного напряжения, отображаются на графе интерфейса пользователя составляет приблизительно 3 V. Использование потенциометра ползунок на < img Alt = «Уравнение 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg» / > -контроллер оси двигателя в положение LPT между края траншеи выше спикулы (см. рис. 4 C).
    1. Использование потенциометра ползунок на figure-protocol-20-контроллер двигателя оси для перемещения на этапе figure-protocol-21 направлении до LPT находится ниже верхней поверхности гряды траншею (см. рис. 5 A). Наконец, используйте бегунок потенциометра на figure-protocol-22-контроллер двигателя оси для приведения передней поверхности траншеи хребту в фокус, так что полная ширина LP-между краями хребет траншеи. Остановить Basic_Data программу, нажав ' остановить ' кнопку.
  2. Открытые и запустите программу Center_LoadPoint (см. файл дополнительного кода). Использование figure-protocol-23-контроллер двигателя оси для перемещения на этапе до тех пор, пока LPT почти соприкасается с краю правой траншеи. Нажмите кнопку " края найти " кнопку.
  3. При появлении запроса, используйте figure-protocol-24-контроллер двигателя оси для перемещения на этапе до тех пор, пока LPT почти соприкасается с краю левой траншеи. Нажмите кнопку " края найти " кнопку. Ждать для позиции LPT на полпути через траншею span программы (см. рис. 5 B).
    Примечание: После этого это не важно отрегулировать figure-protocol-25-контроллер оси двигателя как это приведет к смещению LPT.
  4. Открыть программу Bending_Test. Задать размер шага до 2 мкм, максимальное смещение до 0,5 мм, остановить низкого напряжения до 1,5 V и остановить высокого напряжения до 4.5 V, с помощью текстовых полей в пользовательском интерфейсе. Имя
    1. выберите нужное изображение и данных каталогов и выходного файла с помощью текстового поля в пользовательском интерфейсе. Установите ' сохранять изображения ' в интерфейсе пользователя переключиться в верхнем положении и нажмите зеленую кнопку прямоугольные ниже слова ' разница напряжения ' так, что она не горит.
  5. Запустить программу Bending_Test и ждать мотор контроллер и камеры интерфейсов инициализации.
  6. Переместить сцене figure-protocol-26 направлении, используя бегунок потенциометра на контроллер двигателя до тех пор, пока спикулы находится в Микроскоп ' s поле зрения. Используйте бегунок потенциометра на figure-protocol-27 -контроллер двигателя оси для перемещения на этапе до тех пор, пока спикулы находится под LPT.
    1. Настроить ручки фокус Микроскоп, чтобы спикулы находится в фокусе в пользовательский интерфейс (см. рис. 4 C). Поверните по часовой стрелке FODS микрометр выходное напряжение составляет около 1,8 против
  7. Используйте бегунок потенциометра на контроллер двигателя по оси z для перемещения на этапе figure-protocol-28 направлении во время просмотра выходного напряжения граф в пользовательском интерфейсе. Определите приблизительное положение, при котором LPT контакты спикулы, глядя для изменения напряжения с дальнейшего движения сцены. Убрать стадии приблизительно 50 мкм.
  8. Нажмите " начать тест " и дождитесь завершения испытания на изгиб и стадии возвращается к figure-protocol-29-положение оси.
    Примечание: Этап будет двигаться в 2 мкм с шагом (как это предписано в Шаг 5.4 протокола) figure-protocol-30 направлении, изгиб спикулы (см Рисунок 5 C) пока не выполнено одно из нескольких условий остановки. Условия остановки:) достигается максимальная стадии перемещения 0,5 мм; b) спикулы перерывов и программа обнаруживает большое падение в FODS выходного напряжения; или c) 4.5 V предела высокого напряжения. Для остановки условие (), пользователю будет предложено, если они хотели бы завершить тест, или переопределить предыдущее значение. Когда ' переопределить ' будет выбран, пользователь будет иметь возможность либо увеличить лимит стадии перемещения или обратном направлении стадии перемещения шаг для того, чтобы продолжить сбор данных, как костных выгружен. Шаг перемещения режиссуры также можно изменить, нажав " отменить загрузку " кнопку в любой точке во время выполнения теста. Изгиб тест выходной файл имеет такую же структуру как напряжения смещение интерполяции выходной файл, созданный Шаг 4.6 протокола. То есть, это список с разделителями табуляции среднее 100 FODS выходного напряжения чтений и стандартное отклонение этих чтений вместе с figure-protocol-31-положение оси этап на каждой стадии шаг перемещения. В разделе Результаты представитель описывает, как этот файл данных используется вместе с файлом интерполяции напряжения смещение для вычисления консольные перемещений и стадии перемещения во время испытания на изгиб. Впоследствии, жесткость консольные используется для вычисления усилие LPT на спикулы.
  9. После испытания, поверните микрометр FODS по часовой стрелке до тех пор, пока FODS не менее 5 мм от зеркала LPT. Затем, тщательно удалить сцену из стадии фундаментной.

figure-protocol-32
Рисунок 5: процедура согласования LPT с траншеи ' s середине диапазона и выполнение изгиб test. (A) LPT располагается ниже верхней поверхности траншею хребта на конце Шаг 5.1 протокола, но она еще не позиционируется в середине диапазона. (Б) положение LPT после центровки процедура, описанная в шаги 5.2 и 5.3 протокола будут завершены. (C) A Микрофотография спикулы, принятые в ходе испытания на изгиб. Перемещение поперечного сечения спикулы под LPT, figure-protocol-33, помечен схематично. Масштаб баров = 250 мкм (A-C). пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

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

Results

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

Самые основные результаты каких-либо механических испытаний являются масштабы усилие образца и перемещение к месту, где применяется сила. В случае трехточечного испытание на изгиб, цель должна получить величины усилие LPT, figure-results-1 и перемещение поперечного сечения образца под LPT в figure-results-2 направление,

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

Discussion

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

Несколько шагов протокола особенно важны для обеспечения точно измерить силы и перемещения. В то время как некоторые из этих критических шагов являются универсальными для всех трех пунктов изгиб испытаний, другие являются уникальными для этого механические испытания устройства.

В Шаг 1.2 протокола очищены и проверяется для царапин зеркало LP и Шаг 1.6 протокола устанавливается FODS выгоды. Это важно для усиления и LP зеркального отражения постоянное ша...

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

Disclosures

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgements

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

Эта работа была поддержана Национальный научный фонд [механика материалов и структур программа, предоставить номер 1562656]; и Американское общество инженеров-механиков [Haythornthwaite молодой следователь премии].

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Изоляционный стол TMC 36" x 48" с макетной платой 4" CleanTopTMC63-563Изоляционный стол
Дифференциальный винтовой регуляторThorlabsDAS110Для выравнивающей пластины 1
" Головка микрометра перемещения с градуировкой 0,001"Thorlabs150-801MEДля выравнивающей пластины ступени
Прямоугольный кронштейн для трансляционных столиков серии PT, 1/4"- 20 монтажных отверстийThorlabsPT102Для крепления микроскопа
1" Столик для перевода типа "ласточкин хвост", 1/4"-20 МетчикиThorlabsDT25Для крепления микроскопа
1" Столик для перевода с регулировочным винтом 1/4"-170, 1/4"-20 МетчикиThorlabsPT1BДля крепления микроскопа
Длина 12", оптическая рейка типа "ласточкин хвостEdmund Optics54-401Для Крепление для микроскопа
шириной 2,5 дюйма, держатель типа «ласточкин хвостEdmund Optics54-404Для крепления микроскопа
шириной 0,5 дюйма, держатель «ласточкин хвостEdmund Optics54-403Для крепления микроскопа
InfiniTube Монтажный C-образный зажим с ¼-20Edmund Optics57-788Компонент микроскопа
Стандартный (без встроенного крепления), InfiniTubeEdmund Optics56-125Компонент микроскопа
Стандартная встроенная насадка (оптимизирован при 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Компонент микроскопа
Mitutoyo/Achrovid Адаптер объектива (M26 на M27)Edmund Optics53-787Компонент микроскопа
5X Infinity Achrovid Микроскоп ОбъективEdmund Optics55-790Компонент
микроскопа0.316" ID, оптоволоконный адаптер SX-6Edmund Optics38-944Компонент микроскопа
¼ "x 36", Гибкий волоконно-оптический световодEdmund Optics42-347Микроскоп
компонент 115В, MI-150 Волоконно-оптический осветитель с ИК-фильтром и держателемEdmund Optics55-718Микроскоп компонент
Allied Vision Manta G-223 2/3" Цветная CMOS-камераEdmund Optics88-452Микроскоп компонентный
блок питания для Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics68-586Микроскоп Компонент
1/4" Перемещение Одноосный Трансляционный СтоликThorlabsMS1SFODS
Микрометр Аналоговый Зависимость от отражательной способности Волоконно-оптический датчик смещенияPhiltecD20FODS
30В, 3А Источник питания постоянного токаAgilentU8001AИсточник питания для сбора данных и FODS
14-бит, 48 кГц/с Недорогой многофункциональный DAQНациональный ИнструментыUSB-6009Дак для FODS
Трехосевой моторизованный трансляционный столикThorlabsThorlabs Thorlabs T25 XYZ-E/MТрансляционный столик
T-cube DC Сервомотор контроллерThorlabsTDC001Контроллер мотора для каскада
T-Cube Источник питанияThorlabsTPS001Блок питания для моторного контроллера
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsИспользуется для запуска программного обеспечения
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)National InstrumentsИспользуется для запуска программного обеспечения
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000Микроскоп с поляризованным светом
Nikon Pi Промежуточная трубка с анализатором SliderMVIMDB45305Микроскоп
поляризованного светаДиаполяризатор NikonMVIMDN11920Микроскоп с поляризованным светом
Шнур питания - 7'6"MVI79035Микроскоп с поляризованным светом
Nikon P-Amh Механический столикMVIMDC45000Микроскоп с поляризованным светом
Nikon Lwd Achromat КонденсаторMVIMBL16100Микроскоп с поляризованным светом
Nikon LV-NBD5BD-CH Ручной Quint Револьвер ESDМикроскоп MVIMBP60125поляризованного света
Тринокулярная трубка Nikon C-TF FМикроскоп MVIMBB93100Микроскоп с поляризованным светом
Nikon CFI 10X Окуляр FN 22 мм NCMVIMAK10110Микроскоп с поляризованным светом
Nikon TU Plan Flour BD 10x ОбъективMVIMUE42100Микроскоп с поляризованным светом
Цветочная корзина Венеры ГубкаBrandН/ДГубка скелет
3,5X Оголовье Откидная лупаMcMaster Carr1490T5Используется для разрезания спикул
и Oslash; 1" Кремниевая пластина, тип P / < 100>Ted Pella16011Используется для точки загрузки зеркала
Низкий ворс Конический наконечник Ватный тампонMcMaster Carr71035T31Используется для чистки LP зеркала
Резиновая рукоятка прецизионный ножMcMaster Carr35575A68Используется для среза спикул
Предметные стекла микроскопа, матовый конец, 75 x 25 x 1 ммTed Pella260409Используется для отрезания спикул
Соболиные щетки, #00000, 0,08мм Ш x 4,0мм Д ТедПелла11806Используется для работы со спикулами
PELCO Pro Высокоточный пинцет, сверхтонкие наконечники, превосходная отделкаТед Пелла5367-5НМИспользуется для работы со спикулами
Двухосевой линейный масштаб МикрометрEdmund Optics58-608Используется для калибровки микроскопов
FLEX-A-TOP FT-38 CASESD Пластиковые контейнерыFT-38-CASИспользуется для хранения спикул
Пластиковый флакон Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11Используется для выравнивания стола
Аналитические весыMettler ToledoMS105DUИспользуется для калибровки гирь
" » » Denis

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