इस पत्र स्थानिक सहसंबद्ध रासायनिक, संरचनात्मक, और nanoindentation का उपयोग Atractosteus रंग की बहुस्तरीय पैमाने (ए रंग) के यांत्रिक गुणों की जांच के लिए इस्तेमाल किया तरीकों को प्रस्तुत करता है, फूरियर अवरक्त (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM), और एक्स रे टोमोग्राफी (एक्स – रे सीटी) का अभिकलन. प्रयोगात्मक परिणामों सुरक्षात्मक जैविक सामग्री की डिजाइन सिद्धांतों की जांच के लिए इस्तेमाल किया गया है.
ऐसे खनिज मछली तराजू, gastropod गोले, राम के सींग, सींग, और कछुआ गोले के रूप में सुरक्षात्मक जैविक सामग्री की श्रेणीबद्ध वास्तुकला भविष्य में सुरक्षात्मक सामग्री और प्रणालियों के डिजाइन के मार्गदर्शन के लिए क्षमता के साथ अद्वितीय डिजाइन सिद्धांतों प्रदान करता है. विफलता आरंभ करता है जहां microscale और नैनो पैमाने पर इन सिस्टम सामग्री के लिए संरचना संपत्ति रिश्ते को समझना आवश्यक है. वर्तमान में, इस तरह के nanoindentation, एक्स – रे, सीटी, और SEM के रूप में प्रयोगात्मक तकनीक इन सिस्टम सामग्री 1-6 की श्रेणीबद्ध microstructures साथ यांत्रिक व्यवहार सहसंबंधी करने के लिए एक तरह के साथ शोधकर्ताओं प्रदान करते हैं. हालांकि, mineralized biomaterials के नमूना तैयार करने के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित मानक प्रक्रिया वर्तमान में उपलब्ध नहीं है. इस अध्ययन में, स्थानिक सहसंबद्ध रासायनिक, संरचनात्मक, और ए के बहुस्तरीय पैमाने के यांत्रिक गुणों की जांच के लिए तरीकों रंग nanoindentation का उपयोग, साथ FTIR, SEM, एनऊर्जा फैलानेवाला एक्स – रे (EDX) Microanalysis, और एक्स – रे सीटी प्रस्तुत कर रहे हैं.
शोधकर्ताओं संरचनात्मक biomaterials जांच कर रहे हैं और इस तरह के बहुत अधिक क्रूरता और उनके व्यक्तिगत घटकों की तुलना में जब ताकत के रूप में सुधार यांत्रिक गुणों के साथ संरचनात्मक biomaterials प्रदान जो डिजाइन सिद्धांतों, स्पष्ट करने के लिए कोशिश कर रहे हैं. के लिए बख्तरबंद मछली तराजू की डिजाइन सिद्धांतों पर जांच Pagrus प्रमुख 7, Polypterus senagalus 2,6, अरपाइमा gigas 3, Cyprinus कार्पियो 4, और Atractosteus रंग 1 संरचनात्मक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए मौजूदा प्रयोगात्मक विधियों के आवेदन का विस्तार करने की जरूरत का प्रदर्शन किया है और microstructural विशेषताओं, विस्तृत मानक प्रक्रियाओं सामग्री और प्रयोगों के इन प्रकार के लिए उपलब्ध नहीं हैं.
चर्चा की अलग बख़्तरबंद मछली तराजू के अलावा, ए रंग केंद्रीय अमेरिका 8 की एक ऐतिहासिक शीर्ष शिकारी है और उच्च के साथ एक प्रजाति हैly mineralized तराजू. त्वचा जन के लिए प्रजातियों एक्सचेंजों मांसपेशियों पहले 9 उल्लेख तुलनीय आकार की मछलियों की तुलना में एक बेहतर शिकारी रक्षा प्रणाली को प्राप्त करने के लिए. पेज और गड़गड़ाहट 10, ए के अनुसार रंग सफेद स्टर्जन (Acipenser transmontanus) और बड़ी प्रजाति जा रहा अटलांटिक प्रकार की समुद्री मछली (Acipenser Oxyrhynchus) के साथ उत्तर अमेरिका में तीसरा सबसे बड़ा मीठे पानी में मछली है. ए की अत्यधिक-mineralized मछली तराजू रंग केवल हाल ही में अध्ययन किया जा रहा है. थॉम्पसन और McCune 11 gar तराजू की आकृति विज्ञान एक ganoine बाहरी परत, एक फैलाना हड्डी परत, और परतदार हड्डी परत से मिलकर तीन स्तरित संरचना है कि सुझाव दिया. ए पर वर्तमान शोध रंग तराजू फैलाना या परतदार हड्डी क्षेत्रों में हड्डी परत प्रतिष्ठित नहीं किया है, लेकिन सिर्फ एक ही भीतरी परत 1,12 के रूप में हड्डी क्षेत्र का अध्ययन किया गया है.
इस अध्ययन में, में लिए प्रक्रियाओंmicrostructure, nanostructure, रासायनिक संरचना, और ए के तराजू के यांत्रिक गुणों के स्थानिक वितरण vestigating रंग स्पेक्ट्रोस्कोपी FTIR के परिणामों के आधार पर, SEM, एक्स – रे, सीटी, और nanoindentation तकनीक प्रस्तुत कर रहे हैं.
देखने का एक प्रयोगात्मक बिंदु से, शोधकर्ताओं निर्भर कर रहे हैं पूर्व अनुसंधान mineralized मछली तराजू के यांत्रिक गुणों से पता चला है के बाद से स्वाभाविक रूप से मछली पर पैमाने के स्थानिक स्थान रिपोर्टिंग, ऐसे खनिज मछली तराजू के रूप में जैविक सामग्री होने वाली के साथ काम करना महत्वपूर्ण है कि याद करने की जरूरत जहां तक तराजू मछली 4 पर स्थित थे.
Mineralized जैविक सामग्री के यांत्रिक गुणों भी 4 नमूने के जलयोजन राज्य पर निर्भर होना दिखाया गया है. ठीक से सूखा जीवाश्म के नमूनों का उपयोग जो खुले साहित्य में प्रकाशित परिणाम, को हाइड्रेटेड किया गया है कि ताजा नमूनों की तुलना करने की कोशिश कर रहा है जब यह इस तकनीक की उपयोगिता सीमित करता है. इसलिए, लंबे समय तक परीक्षण के समय nanoindentation दौरान एक नमूना के यांत्रिक गुणों पर निर्जलीकरण के प्रभाव को कम करने से बचा जाना चाहिए. सामग्री विशिष्ट पायलट अध्ययन अनुभव सुनिश्चित करने के लिए सिफारिश कर रहे हैंजाहिर देखने का समय सामग्री के यांत्रिक व्यवहार में बदलाव नहीं करने के लिए पर्याप्त कम है. गीले सेल nanoindentation परीक्षण उपकरण यह परमिट अगर सामग्री के एक निरंतर जलयोजन राज्य रखने के लिए एक पसंदीदा तरीका होगा.
उतराई वक्र से लोच के मापांक गणना की जो इस अध्ययन में इस्तेमाल nanoindentation विधि, सामग्री एक रेखीय लोचदार isotropic सामग्री के रूप में व्यवहार मानता है. तकनीक इंडेंट सुझावों की एक किस्म के साथ प्रयोग किया जा सकता है. हालांकि, 65.35 ° का एक आधा कोण के साथ तीन तरफा Berkovich टिप इस अध्ययन में इस्तेमाल किया गया था. ऐसे घन कोने (आधा कोण = 35.36 °) के रूप में वैकल्पिक सुझावों इस पांडुलिपि में प्रस्तुत प्रक्रिया के लिए उपयुक्त हैं, लेकिन घन कोने टिप Berkovich टिप दरारें से ज्यादा गंभीर है क्योंकि बहुत कम भार के साथ तुलना नमूना में उत्पन्न किया जा सकता Berkovich टिप.
चमकाने एक कम से कम surfac साथ एक चिकनी और सपाट सतह प्राप्त करने के लिए एक आवश्यक कदम हैई खुरदरापन nanoindentation परिणामों को प्रभावित नहीं करेगा. इस पांडुलिपि में प्रस्तुत चमकाने कदम इस्तेमाल किया जा रहा पालिशगर के प्रकार के आधार पर संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है कि एक सुझाव दिया प्रक्रिया कर रहे हैं. हालांकि, सटीक nanoindentation डेटा सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण कदम सतह खुरदरापन कम से कम है, और यह विशेष रूप से सामग्री के लिए एक 50 एनएम अंतिम पॉलिश की जांच की जा रही खरोज गहराई में एक चिकनी सतह फ्लैट प्राप्त करने के लिए आवश्यक था कि है.
इंडेंट की रिक्ति भी पिछले indents से होने वाली सामग्री विकृति से प्रभावित नहीं है कि सही nanoindentation डेटा सुनिश्चित करता है. इस अध्ययन में उपकरणों के लिए nanoindenter उपयोगकर्ता पुस्तिका मांगपत्र रिक्ति Berkovich के लिए अधिकतम प्रवेश गहराई 15 indenters कम से कम 20-30x होना चाहिए का सुझाव दिया. वैकल्पिक सामग्री के लिए, आवश्यक मांगपत्र रिक्ति खुले में पहले से चर्चा के रूप में लागू लोड और अधिकतम खरोज गहराई के आधार पर निर्धारित करने की आवश्यकता होगीसाहित्य 16,17. इसके अतिरिक्त, इस सामग्री के लिए पकड़ समय प्रयोग की जाने वाली nanoindenter सॉफ्टवेयर के ओलिवर-Pharr विश्लेषण विधि के लिए अनुमति की जांच विभिन्न सामग्री चरणों के लिए मनाया किसी भी रेंगना काबू पाने के लिए चुना गया था. हालांकि, Oyen 18 से चर्चा के रूप में वैकल्पिक विश्लेषण के तरीकों समय पर निर्भर सामग्री प्रतिक्रियाओं उपयुक्त पकड़ समय के साथ दूर नहीं किया जा सकता है जब जैविक सामग्री के लिए उपलब्ध हैं.
एक्स रे सीटी से उच्च संकल्प परिणाम प्राप्त करने के लिए, कई सेटिंग्स अनुकूलित किया जाना चाहिए. यह पत्र एक अद्वितीय आकार और बहुस्तरीय मोटाई के साथ एक मछली पैमाने पर इस्तेमाल के लिए मानकों का एक बहुत विशिष्ट सेट की रूपरेखा. अलग नमूना आकार के साथ, इन सेटिंग्स को उच्चतम गुणवत्ता की एक डाटासेट प्राप्त करने के लिए समायोजित करने की आवश्यकता होगी. प्रत्येक पैरामीटर के चयन की प्रक्रिया स्पष्ट रूप से मशीन का इस्तेमाल किया जा रहा है के साथ आता है कि उपयोगकर्ता के मैनुअल में परिभाषित किया जाना चाहिए. सेटिंग्स स्कैन (वोल्टेज, वर्तमान, जोखिम, फिल्टर चयन) और पुनर्निर्माण सेटिंग्स(अंगूठी कलाकृतियों, किरण सख्त) अन्य नमूना आकार और geometries की एक किस्म को समायोजित करने के लिए संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है.
एक्स – रे सीटी तराजू एक दूसरे को ओवरलैप नहीं था, जहां केवल सामग्री की एक बोनी परत को कवर एक ganoine परत की पहचान पूरे पैमाने आकृति विज्ञान की एक छवि प्रदान की. एक्स – रे सीटी कल्पना भी ganoine परत एक गैर वर्दी पैमाने भर मोटाई, और कुल मिलाकर ganoine परत का अभाव है कि यहां तक कि प्रदर्शन गड्ढों के शामिल है कि पहचान की.
दिलचस्प है, स्थानिक SEM / EDX रासायनिक विश्लेषण के लिए सहसंबद्ध nanoindentation डेटा बजाय पी. के mineralized मछली तराजू के लिए मनाया एक अधिक क्रमिक संक्रमण के 2 परतों के बीच एक तेज असतत संक्रमण की पहचान की senagalus (Bruet एट अल. 2 में).
Nanoindentation का एक संयोजन, FTIR, EDX, और SEM पुष्टि करने के लिए यांत्रिक संपत्ति, रासायनिक विश्लेषण, और संरचनात्मक जानकारी प्रदान कीतामचीनी की तरह आकृति विज्ञान और रसायन विज्ञान के साथ ganoine के रूप में बाहरी परत. इसके अतिरिक्त, इन तकनीकों सामग्री की एक बोनी परत के रूप में भीतरी परत की पुष्टि की.
अंत में, इस अध्ययन में उल्लिखित तरीकों ए के mineralized मछली पैमाने की जांच करने के लिए प्रक्रिया है और इसी के परिणाम की पहचान nanostructure और रासायनिक संरचना के नीचे थोक संरचना से रंग.
The authors have nothing to disclose.
लेखक अमेरिकी सेना ERDC सैन्य इंजीनियरिंग 6.1 बेसिक रिसर्च प्रोग्राम और निर्देशित अनुसंधान कार्यक्रम के लिए ERDC केंद्र द्वारा उपलब्ध कराई गई इस काम के लिए वित्तीय सहायता को स्वीकार करना होगा. लेखक भी प्रयोगात्मक कार्य के समर्थन के लिए ERDC geotechnical और संरचनात्मक प्रयोगशाला कंक्रीट और सामग्री शाखा के कर्मचारियों और सुविधाओं को धन्यवाद देना चाहूंगा. प्रकाशित करने की अनुमति निदेशक, भू एवं संरचनाएं प्रयोगशाला द्वारा प्रदान की गई थी.
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 |