이 논문은 공간적으로 상관 된 화학적 구조, 및 나노 인 덴 테이션을 사용 Atractosteus 헤라의 다층 스케일 (A. 주걱)의 기계적 특성을 프로빙을 위해 사용 방법을 제시, 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광 분석, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 X- 선 단층 촬영 (X 선 CT)을 계산. 실험 결과는 보호 생물 재료의 설계 원리를 조사하는 데 사용되었다.
이러한 광물 물고기 비늘, 복족류 껍질, 숫양의 뿔, 사슴 뿔, 거북이 껍질로 보호 생물학적 물질의 계층 구조는 미래에 보호 재료 및 시스템의 설계를 안내하기위한 잠재력을 가진 독특한 디자인의 원리를 제공한다. 실패가 시작하는 마이크로 및 나노에이 물질 시스템의 구조 – 특성 관계를 이해하는 것은 필수적이다. 현재, 이러한 나노 압입, X-선 CT, 및 SEM 등 실험적인 기술은 이러한 재료 시스템 1-6의 계층 적 미세 구조와 기계적 행동의 상관 관계를하는 방법으로 연구자를 제공합니다. 그러나 광물 생체 적합 물질의 시료 준비를위한 잘 정의 된 표준 절차는 현재 사용할 수 없습니다. 본 연구에서는, 공간적 상관 화학, 구조, 및 A.의 다층 규모의 기계적 특성을 프로빙 방법 주걱 나노 압입을 사용하여,와 FTIR, SEM, ENERGY 분산 형 X-선 (EDX) 미량 분석 및 X-선 CT가 제공됩니다.
연구진은 구조 생체 적합 물질을 조사하고 더 높은 인성 및 개별 성분에 비해 강도 향상된 기계적 특성과 구조 생체 적합 물질을 제공하는 설계 원칙을 설명하기 위해 노력하고 있습니다. 용 장갑 물고기 비늘의 설계 원리에 대한 연구 Pagrus 주요 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima의 gigas의 3, Cyprinus의 카르 피오 (4), Atractosteus 주걱 (1) 구조 반응을 연구하기 위해 기존의 실험 방법의 적용을 확대 할 필요성을 증명하고있다 및 미세 특성, 상세한 표준 절차 재료와 실험의 이러한 유형을 사용할 수 없습니다 때문입니다.
논의 된 다른 장갑 물고기 비늘 중, A. 주걱은 중앙 미국 8의 역사적 정점 육식 동물이며, 최고를 가진 종입니다LY 광물 비늘. 피부 질량 종 교환 근육 질량은 이전에 언급 한 9 유사한 크기의 물고기에 비해 개선 된 포식자 방어 시스템을 얻었다. 페이지 및 버 (10), A.에 따르면, 헤라 화이트 철갑 상어 (Acipenser의 transmontanus) 큰 종되는 대서양 철갑 상어 (Acipenser의 oxyrhynchus)과 북미에서 세 번째로 큰 민물 고기입니다. A.의 높은 광물 물고기 비늘 주걱은 최근에 연구되고있다. 톰슨 된 McCune 11 갈치 비늘 형태학 ganoine 외층, 미만성 뼈 층 및 층상 뼈 층으로 이루어진 3 층 조성물을 제안했다. A.에 대한 현재의 연구 주걱 저울 확산 또는 층상 골 지역에 뼈 층을 구별하지 않은,하지만 단지 하나의 내부 층 1,12로 뼈 영역을 공부했다.
본 연구에서의 절차미세 구조물, 나노 구조체, 화학 조성, 및 A.의 스케일의 기계적 특성의 공간적인 분포를 갖게되는 주걱 FTIR 분광법의 결과에 기초하여, SEM, X-선 CT, 및 나노 인 덴 테이션 기술들이 제시된다.
보기의 실험 점에서, 연구진은 의존하는 이전의 연구는 광물 물고기 비늘의 기계적 성질을 보여 주었다 때문에 자연스럽게 물고기 규모의 공간 위치를보고, 같은 광물 물고기 비늘 같은 생물학적 물질을 발생하는 작업을 할 때하는 것이 중요하다는 것을 기억해야합니다 어디에 비늘은 물고기 4에 위치했다.
광물 생물학적 물질의 기계적 특성은 시료 (4)의 수화 상태에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 제대로 건조 화석 샘플을 사용하는 열린 문학에 발표 결과에 수화 된 신선한 샘플을 비교하려고 할 때이 기술의 유용성을 제한한다. 따라서, 장기간 시험 시간은 나노 압입시 샘플의 기계적 특성에 대한 탈수의 효과를 최소화하기 위해 회피 할 필요가있다. 물질의 비 파일럿 연구 경험을 보장하는 것이 좋습니다, 표준 런타임은 재료의 기계적 동작을 변경할 수있을만큼 최소한의 것입니다. 습식 전지는 나노 압입 테스트 장비가 허용하는 경우 물질의 일정한 수화 상태를 유지하는 바람직한 방법이 될 것이다.
하적 곡선으로부터 탄성 계수를 계산 본 연구에 사용 된 나노 압입 방법은, 재료가 선형 탄성 등방성 재료로서 동작 가정한다. 기술 덴터 팁의 다양한 함께 사용될 수있다. 그러나, 65.35 °의 절반 각도 세 양면 베르 코 비치의 팁은이 연구에서 사용되었다. 이러한 큐브 코너 (반각 = 35.36 °)와 같은 대체 조건이 원고에 제시된 절차에 적합하지만, 큐브 코너 팁 Berkovich의 팁 균열보다 예각 때문에 훨씬 낮은 부하와보다 샘플에서 생성 될 수있다 베르 코 비치의 끝.
연마 최소화 계면와 부드럽고 평평한 표면을 얻기 위해 필수적인 단계입니다E 조도는 나노 압입 결과에 영향을 미치지 않는 것을 확인한다. 이 논문에서 제시 폴리싱 단계는 사용되는 광택제의 종류에 따라 수정해야 제안 절차이다. 그러나, 나노 압입 정확한 데이터를 보장하기 위해 중요한 단계는 표면 조도를 최소화하고,이 특정 물질에 대해 50 nm의 최종 폴란드어는 프로빙되는 압입 깊이에서 매끄러운 평탄면을 구하는 것이 필요 하였다 있다는 것이다.
들여 쓰기의 간격은 이전의 들여 쓰기에서 발생하는 물질 변형에 의해 영향을받지 않는다 정확한 나노 압입 데이터를 보장합니다. 이 연구에서 장비 나노 인 덴터 사용자 설명서는 들여 쓰기 간격 베르 코 비치의 최대 침투 깊이가 15 인덴 적어도 20-30X해야한다고 제안했다. 다른 재료의 경우, 요구되는 오목 공간은 개방 이전에 논의 된 바와 같이 부하 하중과 최대 압입 깊이에 기초하여 결정해야 할 것이다문학 (16, 17). 또한,이 물질의 유지 시간은 사용되는 나노 인 덴터 소프트웨어의 올리버 – 파 분석 방법을 탐색 할 수 있도록 다른 소재 단계에서 관찰하는 크리프을 극복하기 위해 선택되었다. 그러나 오이 엔 (18)에 의해 논의 된 바와 같이 다른 분석 방법은 시간에 따른 재료의 응답이 적절한 대기 시간을 극복 할 수 없습니다 생물학적 물질을 사용할 수 있습니다.
X 선 CT에서 고해상도 결과를 달성하기 위해, 여러 설정이 최적화되어야한다. 이 논문은 고유 한 크기와 층 두께의 생선 비늘에서 사용하기 위해 매개 변수의 매우 구체적인 세트를 설명합니다. 다양한 샘플 크기,이 설정은 최고 품질의 데이터 집합을 얻기 위해 조정해야합니다. 각 매개 변수를 선택하는 과정이 명확하게 기계를 사용하지와 함께 제공되는 사용 설명서에 정의되어야한다. 스캔 설정 (전압, 전류, 노출, 필터 선택) 및 복원 설정(링 유물, 빔 경화)는 다른 샘플 크기와 형상의 다양한 수용하기 위해 수정해야 할 수도 있습니다.
X 선 CT는 스케일이 서로 중첩되지 않은 단지 재료의 골질 피복층 ganoine 층을 식별하는 전체 스케일 형태의 이미지를 제공 하였다. X 선 CT 이미징 또한 ganoine 층이 불균일 한 스케일에 걸쳐 두께 및 완전히 ganoine 층 부족에도 전시 피트 이루어져 있는지 확인 하였다.
흥미롭게도, 공간적으로 SEM / EDX 화학 분석에 상관 나노 압입 데이터 대신 P.의 광물 물고기 비늘 관찰 점차적 인 전환의 2 층 사이에 날카로운 개별 전환을 확인 senagalus (Bruet 등. 2).
나노 압입의 조합, FTIR, EDX, 그리고 SEM 확인하는 기계적 특성, 화학적 분석 및 구조 정보를 제공에나멜과 같은 형태와 궁합 ganoine과 외부 층. 또한, 이들 기술은 재료의 골질 층으로서 내층을 확인했다.
결론적으로, 본 연구에서 제시된 방법은 A.의 광물 생선 비늘을 검사하는 절차와 해당 결과를 확인 나노 구조 및 화학 성분에 이르기까지 대부분의 구조에서 주걱.
The authors have nothing to disclose.
저자는 미국 육군 ERDC 군사 공학 6.1 기초 연구 프로그램 및 감독 연구 프로그램에 대한 ERDC 센터에서 제공하는이 작품에 대한 재정 지원을 인정하고 싶습니다. 저자는 또한 실험적인 작업을 지원하기위한 ERDC 지반 및 구조 연구소의 콘크리트 재료 지점의 직원과 시설을 감사드립니다. 게시 할 수있는 권한은 이사, 지반 및 구조물 실험실에 의해 수여되었다.
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 |