تعرض هذه الورقة الطرق المستخدمة لبحث الكيميائية المترابطة مكانيا والهيكلية، والخواص الميكانيكية للنطاق متعدد الطبقات من Atractosteus ملعقة (A. ملعقة) باستخدام nanoindentation، تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي والمسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM)، وX- أشعة التصوير المقطعي حسابها (الأشعة السينية CT). وقد استخدمت النتائج التجريبية للتحقيق مبادئ التصميم من المواد البيولوجية واقية.
الهندسة المعمارية الهرمية المواد البيولوجية واقية مثل موازين المعادن الأسماك، وقذائف بطني الأرجل، قرن الكبش، وقرون، وقذائف السلاحف يوفر مبادئ تصميم فريدة من نوعها مع إمكانات لتوجيه تصميم مواد وأنظمة وقائية في المستقبل. فهم العلاقات هيكل الملكية لهذه الأنظمة المادية في microscale والنانو حيث يبدأ الفشل أمر ضروري. حاليا، تقنيات تجريبية مثل nanoindentation، الأشعة السينية المقطعية، وتوفر للباحثين ووزارة شؤون المرأة وسيلة لربط السلوك الميكانيكية المجهرية مع هذه الأنظمة الهرمية المواد 1-6. ومع ذلك، فإن الإجراء القياسي واضحة المعالم لإعداد عينة من المواد الحيوية المعادن غير متوفر حاليا. في هذه الدراسة، وأساليب لبحث الكيميائية المترابطة مكانيا والهيكلية، والخواص الميكانيكية للنطاق متعدد الطبقات من A. ملعقة باستخدام nanoindentation، FTIR، ووزارة شؤون المرأة، مع حماميتم عرض ergy والتشتت الأشعة السينية (EDX) التحليل الدقيق، والأشعة السينية CT.
الباحثون يحققون الحيوية الهيكلية وتحاول إلقاء الضوء على مبادئ التصميم، والتي توفر الهيكلية الحيوية مع تحسين الخواص الميكانيكية مثل أعلى بكثير صلابة وقوة بالمقارنة مع ناخبيهم الفردية. التحقيقات على مبادئ التصميم من قشور الأسماك المدرعة لPagrus الرئيسية 7، Polypterus senagalus 2،6، gigas Arapaima 3، 4 سمك الشبوط، وAtractosteus ملعقة 1 وقد أثبتت الحاجة إلى التوسع في تطبيق الأساليب التجريبية القائمة على دراسة الردود الهيكلية والخصائص المجهرية، منذ إجراءات تفصيلية القياسية غير متوفرة لهذه الأنواع من المواد والتجارب.
بين مختلف قشور السمك مدرعة ناقش، A. ملعقة هو المفترس قمة تاريخيا من وسط الولايات المتحدة 8 و هو نوع مع ارتفاعلاي موازين المعادن. التبادلات الأنواع كتلة العضلات لكتلة الجلد للحصول على نظام الدفاع المفترس تحسين بالمقارنة مع الأسماك ذات الحجم المماثل المذكورة سابقا 9. وفقا لصفحة والأزيز 10، A. ملعقة هي ثالث أكبر أسماك المياه العذبة في أمريكا الشمالية مع سمك الحفش الأبيض (أسيبنسر ترانسمونتانوس) وسمك الحفش الاطلسي (أوكسيرينخوس أسيبنسر) كونها أكبر الأنواع. جداول الأسماك عالية من المعادن A. ومؤخرا فقط التي تجري دراستها الملعقة. اقترح طومسون وماكيون 11 أن مورفولوجية جداول غار يكون تكوين ثلاث طبقات تتألف من طبقة ganoine الخارجي، وطبقة العظام منتشر، وطبقة العظام رقائقي. الأبحاث الحالية على A. وقد جداول ملعقة لا تميز طبقة العظام منتشر في العظام أو المناطق رقائقي، ولكن درست فقط المنطقة العظام وطبقة واحدة 1،12 الداخلية.
في هذه الدراسة، إجراءات فيvestigating المجهرية، البنية النانوية، والتركيب الكيميائي، والتوزيع المكاني للخصائص الميكانيكية للجداول A. ملعقة بناء على نتائج التحليل الطيفي FTIR، يتم عرض SEM، أشعة CT، وتقنيات nanoindentation.
من وجهة النظر التجريبية للعرض، يحتاج الباحثون أن نتذكر أن عند العمل مع المواد البيولوجية التي تحدث بشكل طبيعي مثل حراشف السمك المعدنية، والإبلاغ الموقع المكاني للمقياس على الأسماك أمر بالغ الأهمية اذ اثبتت البحوث قبل الخواص الميكانيكية للحراشف السمك المعدنية تعتمد إلى حيث كانت تقع المقاييس على الأسماك 4.
وقد تبين أيضا الخواص الميكانيكية للمواد البيولوجية المعادن أن تعتمد على الدولة ترطيب للعينات 4. وهذا يحد من جدوى هذا الأسلوب عندما تحاول مقارنة عينات الطازجة التي تم رطب بشكل صحيح للنتائج التي نشرت في الأدبيات المفتوحة، والتي تستخدم العينات المتحجرة الجافة. وبالتالي، تحتاج مرات اختبار لفترات طويلة يجب تجنبها للحد من آثار الجفاف على الخواص الميكانيكية عينة خلال nanoindentation. ينصح المواد دراسات تجريبية محددة لضمان التجاربمنة وقت التشغيل هو الحد الأدنى لا يكفي لتغيير السلوك الميكانيكي للمادة. سوف nanoindentation الخلية الرطب يكون الأسلوب المفضل للحفاظ على ترطيب الدولة المستمر للمواد إذا يسمح معدات الاختبار عليه.
طريقة nanoindentation المستخدمة في هذه الدراسة، والتي يحسب معامل المرونة من منحنى التفريغ يفترض المواد يتصرف كمادة الخواص مرونة الخطية. تقنية يمكن استخدامها مع مجموعة متنوعة من النصائح إندينتر. ومع ذلك، تم استخدام غيض بركوفيتش ثلاثة جوانب مع نصف زاوية 65.35 درجة في هذه الدراسة. نصائح البديلة مثل الزاوية مكعب (نصف زاوية = 35.36 °) هي مناسبة لإجراء العملية الواردة في هذا المخطوط، ولكن منذ غيض الزاوية المكعب هو أكثر حدة من الشقوق طرف بركوفيتش يمكن أن تتولد في العينة في أقل بكثير من الأحمال مع غيض بركوفيتش.
تلميع هو خطوة أساسية للحصول على سطح أملس ومسطحة مع التقليل السطحيةه خشونة للن يؤثر على النتائج nanoindentation. الخطوات تلميع المقدمة في هذه المخطوطة هي الإجراء المقترح التي قد تحتاج إلى تعديل تبعا لنوع من الملمع المستخدمة. ومع ذلك، فإن خطوة حاسمة لضمان دقة البيانات nanoindentation هو أن خشونة السطح يتم التقليل، وهذه المواد خاصة كانت هناك حاجة إلى 50 نانومتر النهائي البولندية للحصول على سطح أملس شقة في أعماق المسافة البادئة يجري بحثها.
تباعد المسافات البادئة أيضا من يضمن دقة البيانات nanoindentation التي لا تتأثر تشوه المواد التي تحدث من المسافات البادئة السابقة. اقترح دليل المستخدم nanoindenter للمعدات في هذه الدراسة أن تباعد المسافة البادئة يجب أن تكون على الأقل 20-30X عمق الاختراق الحد الأقصى لبركوفيتش indenters 15. للمواد البديلة، سوف تحتاج تباعد المسافة البادئة المطلوبة يتم تحديدها على أساس تحميل تطبيق وأقصى عمق المسافة البادئة كما نوقش سابقا في العراءالأدب 16،17. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار الوقت لعقد هذه المواد للتغلب على أي زحف وحظ للمراحل مواد مختلفة وبحث السماح لأوليفر-فار طريقة تحليل البرنامج nanoindenter لاستخدامها. ومع ذلك، كما تمت مناقشته من قبل أوين 18 طرق التحليل البديلة المتاحة للمواد البيولوجية عندما لا يمكن التغلب على استجابات المواد التي تعتمد على الوقت مع أوقات الانتظار مناسبة.
لتحقيق نتائج عالية الدقة من الأشعة السينية CT، يجب أن يكون الأمثل العديد من الإعدادات. توضح هذه الورقة مجموعة محددة جدا من المعلمات للاستخدام على نطاق والأسماك مع حجم فريدة من نوعها وسمك الطبقات. مع اختلاف حجم العينة، وسوف تحتاج إلى تعديل للحصول على بيانات من أعلى مستويات الجودة هذه الإعدادات. ينبغي تحديد عملية اختيار كل معلمة بوضوح في دليل المستخدم الذي يأتي مع الجهاز قيد الاستخدام. إعدادات المسح الضوئي (الجهد، والحالية، والتعرض، واختيار مرشح) وإعدادات إعادة الإعمار(التحف حلقة، شعاع تصلب) قد تحتاج إلى تعديل لاستيعاب مجموعة متنوعة من أحجام العينات الأخرى وهندستها.
قدمت أشعة CT صورة من التشكل على نطاق كامل تحديد طبقة ganoine تغطي طبقة من المواد العظمية فقط حيث المقاييس لم تتداخل مع بعضها البعض. حددت CT التصوير بالأشعة السينية أيضا أن طبقة ganoine تتألف من سمك غير موحدة في جميع أنحاء نطاق واسع، وحفر حتى معارضها التي تفتقر إلى طبقة ganoine تماما.
ومن المثير للاهتمام، حدد البيانات المترابطة مكانيا nanoindentation إلى التحليل الكيميائي ووزارة شؤون المرأة / EDX انتقال منفصلة حادة بين 2 طبقات بدلا من المزيد من التحول التدريجي لاحظ قشور السمك المعدنية من P. senagalus (في Bruet وآخرون. 2).
مزيج من nanoindentation، شريطة FTIR، EDX، ووزارة شؤون المرأة الملكية الميكانيكية، والتحليل الكيميائي، والمعلومات الهيكلية لتأكيدالطبقة الخارجية كما ganoine مع مثل المينا التشكل والكيمياء. بالإضافة إلى ذلك، أكدت هذه التقنيات الطبقة الداخلية كطبقة عظمي من المواد.
في الختام، حدد الطرق الموضحة في هذه الدراسة إجراء المقابلة والنتائج لفحص الأسماك على نطاق والمعادن من A. ملعقة من بنية الأكبر وصولا الى تكوين البنية النانوية والمواد الكيميائية.
The authors have nothing to disclose.
فإن الكتاب أود أن أنوه بالدعم المالي لهذا العمل التي قدمتها 6.1 برنامج البحوث الأساسية الجيش الأمريكي ERDC الهندسة العسكرية ومركز ERDC لبرنامج البحوث الموجهة. فإن الكتاب أود أيضا أن أشكر موظفي ومرافق ERDC الجيوتقنية وفرع الخرسانة والمواد الإنشائية مختبر لدعم العمل التجريبي. تم منح إذن لنشر من قبل مختبر مدير الجيوتقنية والهياكل.
Epoxy resin | Buehler | 701-501512 | |
Epoxy hardener | Buehler | 703-501528 | |
Samplkups | Buheler | 20-8180 | |
SamplKlips I | Buehler | 20-4100-100S | |
High precision cut-off saw | Buehler | Isomet | |
UltraMet 2002 sonic cleaner | Buehler | B2510R-MT | |
Polisher | Buehler | 49-1750-160 | |
1200 grit (15-um) SiC paper | Struers | 40400012 | |
4000 grit (6-um) SiC paper | Struers | 40400014 | |
50-nm colloidal silica | Buehler | 40-10075 | |
Chemomet polishing pad for 50-nm suspension | Buehler | 40-7918 | |
Nanoindenter | MTS | G200 | |
FTIR continuum microscope | Thermo Nicollet | 6700 | |
X-ray Computed Tomography | Skyscan | Skyscan 1173 | |
SEM | FEI | NovaNanoSEM 630 | |
EDX | Bruker | AXS Xflash detector 4010 | |
Sputter Coater | Denton | Desk II |