Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

نظام ملليمتر اختبار العاطفة مقياس لقياس الخواص الميكانيكية للاسفنج البحري سبيكوليس

Published: October 11, 2017 doi: 10.3791/56571
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Engineering, Brown University

Summary

نحن نقدم على بروتوكول لإجراء الاختبارات الانحناء ثلاث نقاط على ألياف مقياس الملليمتر الفرعية باستخدام جهاز اختبار المواصفات ميكانيكية. يمكن قياس القوات تتراوح من 20 µN ما يصل إلى 10 ن الجهاز ويمكن أن تستوعب ذلك مجموعة متنوعة من أحجام الألياف.

Abstract

تحميل الكثير إذ تضع الهياكل البيولوجية (لبس) — مثل ريشة راتشيسيس وسبيكوليس – صغيرة (< 1 مم) لكن لا مجهرية. قياس سلوك لبس هذه العاطفة مهم لفهم أصول وظائفها الميكانيكية الرائعة.

يصف لنا وضع بروتوكول لأداء الاختبارات الانحناء ثلاث نقاط باستخدام جهاز اختبار المواصفات ميكانيكية التي يمكن قياس القوات تتراوح بين 10-5 101 ن وتشريد تتراوح من 10-7 إلى 10-2 م. الميزة الرئيسية لهذا الجهاز اختبار الميكانيكية أن قدرات القوة والتشريد يمكن تعديلها بسهولة للبس مختلفة. مبدأ التشغيل للجهاز مماثلة لتلك التي مجهر القوة الذرية. إلا وهي تطبق القوة إلى لبس نقطة تحميل التي أرفقت بنهاية ناتئ. تقاس بجهاز استشعار ألياف بصرية تشرد التشرد نقطة التحميل وتحويلها إلى قوة صلابة ناتئ المقاسة باستخدام. ويمكن تعديل نطاق القوة للجهاز باستخدام كانتيليفيرس ستيفنيسيس مختلفة.

وأظهرت إمكانيات الجهاز عن طريق إجراء اختبارات الانحناء ثلاث نقاط على عناصر الهيكل العظمى من الأسفنج البحري أسبيرجيلوم يوبليكتيلا. عناصر الهيكل العظمى – المعروفة باسم سبيكوليس-هي ألياف السيليكا التي هي حوالي 50 ميكرومتر في القطر. يصف لنا إجراءات معايرة جهاز اختبار الميكانيكية، تصاعد في سبيكوليس على لاعبا الانحناء ثلاث نقاط مع فترة مم ≈1.3، واختبار أداء الانحناء. وتقاس القوة المطبقة على سبيكولي وعن انحراف في موقع القوة المطبقة.

Introduction

وقد وضعت المهندسين بدراسة أبنية لحمل الهياكل البيولوجية (لبس)، مثل شركة شل والعظام، المواد المركبة الجديدة التي هي على حد سواء قوية وصعبة 1. فقد ثبت أن الخواص الميكانيكية الرائعة للبس ونظرائهم المستوحاة من السيرة الذاتية متصلة بما أبنية داخلية معقدة 2. ومع ذلك، العلاقات بين أبنية لبس والخصائص الميكانيكية ليست مفهومة تماما. قياس الاستجابة الميكانيكية لبس هو الخطوة الأولى نحو فهم كيف تعزز بنيتها خصائصه الميكانيكية.

ومع ذلك، من المهم أن نوع الاختبار المستخدمة لقياس الاستجابة الميكانيكية لبس ينسجم مع وظيفتها الميكانيكية. على سبيل المثال، حيث يجب دعم الريش الأحمال الأيرودينامية، الوظيفة الأساسية الفقري ريشة توفير صلابة العاطفة 3. ولذلك يفضل اختبار الانحناء لاختبار توتر أونياكسيال لقياس رده الميكانيكية. في الواقع، كثير من لبس – ينبع العشب مثل ريشة راتشيسيس 3، 4، وسبيكوليس،من 56،،من78– تشوه في المقام الأول بالانحناء. هذا سبب هذه لبس مرهف –أيعلى طول أكبر بكثير من عرض أو عمق. ومع ذلك، إجراء الاختبارات الانحناء على لبس هذه يمثل تحديا للقوات والتشريد أنهم يمكن أن يصمد أمام فشل تتراوح من 10-2 إلى 102 N و 10-4 إلى 10-3 م، على التوالي 3 , 4 , 5 , 7 , 8-ونتيجة لذلك، يجب أن يكون الجهاز المستخدم لإجراء هذه الاختبارات الميكانيكية قرارات القوة والتشريد من إيتش وان زيرو-5 ن وم-7 إيتش وان زيرو (أي، 0.1% من أقصى قوة measureable أجهزة الاستشعار والتشرد)، على التوالي.

المتاحة تجارياً، كبيرة الحجم، والميكانيكية وأنظمة الاختبار عادة لا يمكن قياس القوات والتشريد مع هذا القرار. بينما القوة الذرية المستندة إلى مجهر 9،10 أو الكهروميكانيكية المستندة إلى نظم 11 اختبار أجهزة القرار الملائم، القوة القصوى (كل منها التشرد) يمكن قياس أصغر من القوة القصوى (التشريد كل منها) التي يمكن أن تحمل لبس. ولذلك، إجراء اختبارات الانحناء على لبس هذه، والمهندسين والعلماء يجب أن تعتمد على المواصفات الميكانيكية اختبار الأجهزة 5،7،،من1213. الميزة الرئيسية لهذه الأجهزة المواصفات أنها يمكن أن تستوعب نطاقات كبيرة من القوات والتشريد. ومع ذلك، بناء وتشغيل هذه الأجهزة لا توثيقاً جيدا في الأدب.

بروتوكول وصف لأداء الاختبارات الانحناء ثلاث نقاط باستخدام جهاز اختبار المواصفات ميكانيكية التي يمكن قياس القوات تتراوح بين 10-5 101 ن وتشريد تتراوح من 10-7 إلى 10-2 م. وتقدم الرسوم التقنية، بما في ذلك جميع الأبعاد، من العناصر المكونة لجهاز اختبار الميكانيكية في "المواد التكميلية". الميزة الرئيسية لهذا الجهاز اختبار الميكانيكية أن النطاقات القوة والتشريد يمكن تعديلها بسهولة لتلائم لبس مختلفة. مبدأ التشغيل للجهاز مماثلة لتلك التي مجهر القوة الذرية 9. في هذا الجهاز، يتم وضع عينة عبر خندق قطع في لوحة فولاذ المقاوم للصدأ (انظر الشكل 1أ-ج). يتم قياس فترة الخندق من ميكروجرافس البصرية لتكون 1278 ± 3 ميكرومتر (يعني ± الانحراف المعياري؛ n = 10). دعم حواف الخندق العينة أثناء اختبار الانحناء (انظر الشكل 1 ود). هذه المرحلة العينة المرفقة إلى مرحلة ترجمة ثلاثة محاور ووضعه تحت آسفين ألومنيوم حيث يكون الاسفين تقع في منتصف الطريق عبر امتداد خندق (انظر الشكل 1ج). قبل الانتقال المرحلة Equation 1 الاتجاه (انظر الشكل 1 ألف، و جيم)، هو دفع العينة إلى آسفين مما تسبب في العينة لثني.

نحن نشير إلى الاسفين كتلميح نقطة التحميل (LPT) والمكون من الجهاز الذي يحتوي على الاسفين كنقطة التحميل (ليرة لبنانية). يتم إرفاق ليرة لبنانية إلى نهاية ناتئ التشرد الذي يقاس بجهاز استشعار ألياف بصرية تشرد (فودس). فودس تنبعث الأشعة تحت الحمراء، مما ينعكس قبالة مرآة تقع على السطح العلوي لليرة لبنانية (انظر الشكل 1ب) وتلقى بألياف الضوئية في فودس. مم إيتش فايف قطعة مربعة من رقاقة السيليكون مصقول كمرآة ليرة لبنانية وهي ملحقة بليرة لبنانية استخدام الإيبوكسي. تدابير فودس التشريد بمقارنة كثافة الضوء المنبعثة والمنعكسة. صلابة ناتئ والتشرد وتستخدم لحساب القوة، Equation 2 ، وذوي الخبرة من الاسفين بسبب تفاعله مع العينة. تشريد ناتئ يستخدم أيضا لحساب تشريد المقطع العرضي للعينة تحت الاسفين، Equation 3 . وقد استخدمت مجسات القوة المستندة إلى ناتئ في عدد من الجزئي والكلى الحجم الميكانيكية اختبار الدراسات 10،11،12،،من1314. تصميم المحددة المعروضة هنا مقتبسة من جهاز اختبار ميكانيكية المستخدمة لإجراء التجارب الاتصال لاصقة 14. وقد استخدمت أيضا تصميم مماثل في 15،تريبوميتير الدقيقة متاحة تجارياً16.

Figure 1
رقم 1: نظرة عامة على جهاز اختبار المواصفات الميكانيكية- (أ) بالحاسوب تقديم تصميم الجهاز. يتم تمييز عناصر المرحلة باللون الأخضر. يتم إبراز قوة الاستشعار فرعي (ناتئ، نقطة التحميل (ليرة لبنانية)) باللون الأحمر. (ب) تكبير العرض من (). يظهر باللون الأزرق على السطح العلوي لليرة لبنانية تحت فودس مرآة ليرة لبنانية وهو المسمى LPM. (ج) تنسيق نظام يستخدم لوصف الاقتراح بمرحلة الترجمة. عن طريق التسوية الالمرحلة ه في الخطوة 1، 9 من البروتوكول، و Equation 1 يرصد الاتجاه ليتزامن مع ناقل العادي على سطح مرآة ليرة لبنانية. التخطيطي (د) تكوين الانحناء ثلاث نقاط يظهر التشوه في سبيكولي وتشرد يقاس Equation 49 ، و Equation 50 . الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

وأظهرت إمكانيات الجهاز عن طريق إجراء اختبارات الانحناء ثلاث نقاط على عناصر الهيكل العظمى من الأسفنج البحري. أسبيرجيلوم يوبليكتيلا،من67 هيكل عظمى هذا الأسفنج هو تجميع خيوط، يسمى سبيكوليس (انظر الشكل 2أ). سبيكوليس إيتش فايف زيرو ميكرومتر سميكة وهي تتألف أساسا من السليكا 6. على أساس بيوسيليكا سبيكوليس توجد في الأسفنج الذين ينتمون إلى الفئات ديموسبونجيا وهوموسكليرومورفا وهيكساكتينيليدا. الأسفنج، مثل هاء-أسبيرجيلوم، التي تنتمي إلى فئة Hexactinellida أيضا تعرف "الزجاج الأسفنج." بينما spicules الأسفنج الزجاج تتكون أساسا من السليكا، وقد ثبت أن السيليكا غالباً ما يحتوي على مصفوفة عضوية تتألف من أما الكولاجين 17،18 أو كيتين 19،20 , 21-هذه المصفوفة العضوية دوراً هاما في السليكا بيومينيراليزيشن 18،20. وعلاوة على ذلك، في بعض سبيكوليس المصفوفة العضوية أيضا بمثابة قالب بيومينيراليزيشن من الكالسيوم 22. بالإضافة إلى توزع داخل السيليكا، يمكن أيضا أن تشكل مصفوفة العضوية طبقات متميزة بتقسيم السليكا سبيكولي إلى lamellae متحدة المركز، أسطواني 6،23. وقد ثبت أن هذا الهيكل رقائقي متحدة المركز، ويمكن أن تؤثر على spicules تشوه السلوك 6،،من78،24،25،26 . ونتيجة لذلك، الخصائص الميكانيكية spicules تتحدد بواسطة مزيج من الكيمياء بهم (أي.، التركيب الكيميائي لمركب البروتين السليكا) و الهندسة المعمارية على 27. التركيب الكيميائي والهندسة المعمارية من الزجاج الأسفنج spicules لا تزال قيد التحقيق 24،،من2829.

هي أكثر من سبيكوليس في أسبيرجيلوم هاء- عزز معا على شكل قفص الهيكل العظمى قاسية. ومع ذلك، هناك في قاعدة الهيكل العظمى خصل لفترة طويلة جداً (إيتش وان زيرو سم) سبيكوليس المعروف باسم سبيكوليس مرساة (انظر الشكل 2أ). ونحن تصف البروتوكول لإجراء الاختبارات الانحناء ثلاث نقاط على مقاطع صغيرة من spicules الارتساء.

في الخطوة 1 من البروتوكول، يرد وصف للإجراءات لتجميع ومحاذاة العناصر المكونة لجهاز اختبار الميكانيكية مبنية خصيصا. الخطوتين 2 و 4 من البروتوكول بتوفير إرشادات لتوليد البيانات المعايرة المستخدمة لحساب القوات وعمليات التشريد في اختبار الانحناء. يتم وصف الخطوات المتخذة لإعداد قسم من سبيكولي ويتصاعد إلى المباراة اختبار في الخطوة 3. ويرد الإجراء المتعلق بإجراء اختبار الانحناء على المقطع سبيكولي في الخطوة 5. وأخيراً، في قسم النتائج ممثلة معايرة البيانات التي تم الحصول عليها في الخطوات من 2 و 4 وتستخدم جنبا إلى جنب مع بيانات اختبار الانحناء التي تم الحصول عليها في الخطوة 5 لحساب Equation 2 و Equation 3 .

Figure 2
الشكل 2: إجراءات تمزيقها وتفتيش سبيكوليس أسبيرجيلوم هاء-- (أ) الهيكل العظمى هاء-أسبيرجيلوم. ويرد خصل spicules مرساة قائما في قاعدة الهيكل العظمى. شريط مقياس. ~ 25 مم (ب) سبيكولي مذيع واحد يقام في مكان على شريحة مجهر استخدام فرشاة سابل 00000 # أحمر ومقطوع باستخدام شفرة حلاقة. شريط مقياس. ~ 12 مم (ج) وضع قسم من سبيكولي أسبيرجيلوم هاء- عبر الخندق على المسرح عينة. يتم تمييز حواف الخندق والخندق ريدج في البط البري والبرتقالي، على التوالي. يتم الضغط سبيكولي ضد ريدج خندق التأكد من أن على محور عمودي على حواف الخندق. (د) صورة مجهرية من سبيكولي يقوم بتمرير إجراء التفتيش هو موضح في الخطوة 3، 4 من البروتوكول، التي توضح هذه المقالة كيفية تحديد ما إذا كان مقطع سبيكولي معطوب ويجب أن يتم تجاهل. (ﻫ) صورة مجهرية من سبيكولي التي تحتوي على العديد من الشقوق وأجزاء كبيرة من طبقات السليكا التي سوف تفشل في إجراء التفتيش هو موضح في الخطوة 3، 4 من البروتوكول في عداد المفقودين. تغيير حجم أشرطة = 250 ميكرومتر (ج) و 100 ميكرومتر (د) و 100 ميكرومتر (ه). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-الجمعية ومحاذاة

  1. اختر ناتئ صلابة التي مناسبة للتجربة المقصود. إرفاق ليرة لبنانية ناتئ استخدام #4-40 مأخذ رأسه قبعة مسامير (شكس) (انظر الشكل 3 أ). رعاية لعدم بلاستيكالي تشوه الأسلحة ناتئ أثناء إرفاق ليرة لبنانية-

Figure 3
رقم 3: إجراء تجميع في ناتئ قوة الاستشعار وقياس صلابة. النقطة (أ) التحميل (ليرة لبنانية) موصولة إلى ناتئ (ج)، مع تلميح نقطة التحميل (LPT) أشار إلى الأعلى. (ب) ناتئ وفرعي LP موصولة إلى اللوحة ناتئ، تتم الإشارة إليها كحزب المحافظين. ويرد الجيب راحة لصفيحة ناتئ تحت الذراعين ناتئ. (ج) لوحة ناتئ موصولة إلى الجزء السفلي الإطار حيث أن تواجه إلى جانب لوحة المبينة في (ب) Equation 6 الاتجاه. تتم الإشارة إليها ميكرومتر فودس ك FM. (د) ربط الأسلاك ومعايرة الأوزان المستخدمة في الخطوة 2 من البروتوكول تظهر تتدلى من ثقب LPT. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تطبيق بضع قطرات من 2-بروبانول بمسحه القطن حرة لينت ومسح سطح مرآة ليرة لبنانية. افحص مرآة الخدوش واستبدال النسخة المتطابقة إذا كان تالفاً.
  2. إرفاق فضفاضة ناتئ إلى لوحة ناتئ استخدام شكس #6-32 على جانب اللوحة التي تحتوي على جيب راحة مع الإشارة LPT بعيداً عن اللوحة (انظر الشكل 3 ب). إدراج 1/8 " دبابيس المحاذاة عن طريق ناتئ ولوحة، وتضييق الخناق، ثم قم بإزالة الدبابيس المحاذاة.
    3. سحب
  3. فودس إلى أقصى حد ممكن عن طريق تحويل فودس ميكرومتر عقارب الساعة (انظر الشكل 3 ج). إرفاق لوحة ناتئ فضفاضة للإطار باستخدام شكس #6-32 مع الإشارة LPT في Equation 4 الاتجاه (انظر الشكل 1 ألف). إدراج 1/8 " دبابيس المحاذاة عن طريق لوحة الإطار وناتئ، وتضييق الخناق، ثم قم بإزالة الدبابيس المحاذاة (انظر الشكل 3 ج).
  4. بدوره على القوة العرض وتعيين الجهد إلى 12.00 الخامس في وضع الجهد المستمر باستخدام إدارة مقبض الضبط. ثم قم بتشغيل إخراج الجهد وتؤكد أن التيار المسحوب المعروضة على الإمداد بالطاقة ' s LCD الشاشة ما يقرب من 60-70 ماجستير. الانتظار ساعة واحدة على الأقل لرسم الحالية للوصول إلى حالة مستقرة تقليل عدم اليقين في قياس الجهد الكهربي.
  5. بفتح وتشغيل البرنامج Basic_Data (انظر ملفات تعليمات برمجية إضافية). دورة فودس ميكرومتر (انظر الشكل 3 جيم و الشكل 4 أ) اتجاه عقارب الساعة لتحريك مرآة فودس تجاه ليرة لبنانية حتى يصل الجهد الإخراج المعروضة في الرسم البياني واجهة المستخدم إلى قيمة الحد أقصى-
    1. ضبط كسب فودس عن طريق تحويل المجموعة مسامير على جانب الإسكان فودس حيث أن الجهد الناتج هو 5.0 ف ميكرومتر فودس عقارب الساعة التراجع في فودس-
  6. تشغيل إضاءة المجهر وضبط الموضع المجهر، والتركيز على استخدام مرحلتين الترجمة اليدوية بحيث يتركز LPT في مجال الرؤية. إيقاف البرنامج Basic_Data بالنقر ' وقف ' زر.
  7. فتح البرنامج واجهة المستخدم التحكم بالسيارات. استخدم المنزلق مقاومة متغيرة في Equation 5 -تحكم المحور المحرك للانتقال المرحلة إلى سفر الحد الأقصى المسموح به في < img alt = "المعادلة 6" src = "/الملفات/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg "/> الاتجاه وتعيين موضع الصفحة الرئيسية بالنقر ' المنزل ' زر في واجهة المستخدم. المنزلق
    1. استخدام الجهد على Equation 7-تحكم المحور المحرك للانتقال المرحلة إلى سفر الحد الأقصى المسموح به في Equation 8 الاتجاه وتعيين موضع الصفحة الرئيسية. قم بإغلاق البرنامج واجهة المستخدم-
  8. مقعد المسرح في لوحة المرحلة الأساسية (انظر الشكل 4 أ) حيث أن لوحة نصائح رؤساء ميكرومتر في التسوية الباقي في ديفوتس لوحة قاعدة المرحلة. ضع مستوى فقاعة في الجدول العزلة وضبط الضغط في كل من الجدول ' s الساقين بتشغيل الصمام تسليح مسامير الإبهام حيث يكون السطح مستوى. الانتقال مستوى فقاعة إلى الجزء العلوي من مرحلة التسوية لوحة
    1. وضبط ميكرومتر حيث أن المستوى أيضا. ملاحظة مواقف ميكرومتر وإزالة المرحلة من مرحلة الصفيحة القاعدية. ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول هنا.

Figure 4
الرقم 4: جهاز اختبار الميكانيكية تجميعها في خطوات 1.9 و 3-7 البروتوكول. (أ) مرحلة العينة (SS)، متصل بمرحلة الترجمة (TS)، وهي تعادل استخدام ميكرومتر في مرحلة التسوية لوحة (SLP)، الذي يجلس على لوحة المرحلة الأساسية (SBP). الصفيحة القاعدية مرحلة مرفق الكهربية الضوئية من الجدول العزلة. ناتئ (ج)؛ لوحة ناتئ (CP)؛ والألياف البصرية التشرد الاستشعار (فودس) يؤلف قوة الاستشعار عن النظام. يتم إرفاق ناتئ النقطة (ب) التحميل (ليرة لبنانية) ووضع تلميح نقطة التحميل (LPT) على سبيكولي على المسرح عينة. أثناء اختبار الانحناء، يقاس تشريد ليرة لبنانية استخدام في فودس. ويسيطر المسافة الأولية بين فودس ومرآة ليرة لبنانية ميكرومتر فودس (FM) المبينة في (أ). (ج) صورة مجهرية من سبيكولي زرع عبر الخندق في المرحلة، وضعه تحت LPT. شريط المقياس = 250 ميكرومتر (ج). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

2-"قياس صلابة ناتئ"

  1. تشغيل البرنامج Basic_Data وميكرومتر فودس اتجاه عقارب الساعة حتى الجهد الناتج هو ما يقرب من 4 ف إيقاف تشغيل البرنامج بواسطة النقر فوق ' وقف ' زر.
  2. قياس الكتلة من الأسلاك هوك ومعايرة الأوزان استخدام رصيد التحليلي.
  3. فتح البرنامج Cantilever_Calibration (انظر ملفات تعليمات برمجية إضافية)، وأدخل اسم الملف المطلوب للقوة كاليملف الإخراج بريشن في مربع نص في واجهة المستخدم-
    4. قم بتشغيل برنامج Cantilever_Calibration
  4. ، وانقر فوق ' موافق ' عندما تتم مطالبتك بإدخال كتلة وزن المعايرة الأولى. انتظر الجهد الإخراج المعروضة في الرسم البياني واجهة المستخدم لوقف تتأرجح وانقر فوق الأخضر ' "استقر الجهد" ' زر لتأخذ قياس جهد.
  5. ربط استخدام الملقط قطع الأسلاك من الثقب في LPT حتى تواجه مأزق بعيداً عن الهدف المجهر (انظر الشكل 3 د). استخدام الملاقط لرطبة اهتزاز ناتئ الناجمة عن إضافة هوك-
    1. بإدخال كتلة هوك في غرام في مربع الحوار، ثم انقر فوق ' موافق '. كما هو الحال في الخطوة السابقة، انتظر الناتج الجهد لوقف تتأرجح قبل النقر ' "استقر الجهد" ' زر.
  6. استخدام الملقط لشنق الوزن الأولى في السلك ربط وكرر عملية أخذ مقياس الجهد الكهربي كما هو موضح في الخطوة السابقة. كرر هذه الخطوة حتى جميع الأوزان المعايرة قد تم تعليقه أو الجهد الناتج هو أقل من 1.8 V. عند هذه النقطة، انقر فوق ' إلغاء ' في مربع الحوار لإنهاء البرنامج Cantilever_Calibration-
  7. تشغيل ميكرومتر فودس عقارب الساعة التراجع في فودس. بعناية إزالة هوك والأوزان من LPT.
    ملاحظة: ملف الإخراج معايرة القوة قائمة محدد بعلامة جدولة بقوة تطبيق الجماهير المعايرة ومتوسط قراءات الجهد الناتج فودس 100 والانحراف المعياري لهذه القراءات. الجزء نتائج الممثل وصفاً لكيفية معالجة هذا الملف البيانات لقياس صلابة ناتئ.

3. إعداد عينة

  1. النتريل ارتداء قفازات عند التعامل مع أسبيرجيلوم هاء- الأسفنج الهياكل العظمية وتخزين الهياكل العظمية في حاويات مختومة عند أنها لا تعالج.
    تنبيه: حيث spicules تتألف أساسا من السليكا، سبيكولي كسر شظايا حادة ويمكن أن تصبح جزءا لا يتجزأ من الجلد، مما يؤدي إلى تهيج.
  2. استخدام زوج من ملاقط لفهم سبيكولي مرساة واحدة بنهاية القاصي وسحب لإزالته من هيكل عظمى (انظر الشكل 2 أ). ضع سبيكولي على شريحة مجهر نظيفة.
  3. عقد في سبيكولي ضد الشريحة قرب نقطة الوسط على طول استخدام فرشاة سابل 00000 # أحمر. قطع ≈ الباب 4 مم من سبيكولي عن طريق دفع شفرة حلاقة ضد سبيكولي على جانبي الفرشاة عمودياً على الشريحة السطحية (انظر الشكل 2 ب). تجاهل المقاطع الكبيرة سبيكولي القاصي والدانية، والحفاظ ≈ الباب 4 مم.
  4. تفقد المقطع سبيكولي 4 ملم باستخدام مجهر ضوء استقطاب في التكبير 10 x (انظر الشكل 2 ج-ه). تجاهل المقطع سبيكولي والعودة إلى الخطوة 3، 2 إذا كان يفتقد مناطق كبيرة من طبقات السليكا (انظر الشكل 2 ه). التعامل مع أقسام التفتيش سبيكولي حصرا استخدام فرشاة سابل #00000 حمراء لتجنب إدخال أي ضرر جديد على طبقات السليكا.
    5. تنظيف
  5. أي شظايا سبيكولي أو الجزيئات الأخرى من سطح مرحلة عينة مع فرشاة أو الهواء المضغوط. ثم تطبيق بضع قطرات من 2-بروبانول بمسحه القطن حرة لينت ومسح المرحلة عينة. تجنب الاتصال مع مناطق مرحلة مطلية بطلاء غير عاكس. ملاحظة: يتم استخدام الطلاء الحد من انعكاسات براق في الصور التي اتخذت خلال test. الانحناء
  6. نقل المقطع سبيكولي إلى مرحلة عينة. ضع المقطع سبيكولي عبر الخندق مع فترة المطلوب لاختبار الانحناء ودفعها بلطف Equation 10 الاتجاه ضد ريدج الخندق. التأكد من سبيكولي عمودي على حواف الخندق (انظر الشكل 2 ج)-
  7. مقعد المرحلة على مرحلة الصفيحة القاعدية حيث أن بقية نصائح مغزل ميكرومتر في ديفوتس لوحة قاعدة المرحلة. إذا لزم الأمر، ضبط في ميكرومتر في مرحلة التسوية لوحة للقيم سجلته في الخطوة 1، 9 من البروتوكول.

4. ملف الاستيفاء التشرد الجهد

  1. فتح البرنامج Bending_Test (انظر ملفات تعليمات برمجية إضافية). تعيين ' خطوة حجم ' إلى 2 ميكرومتر، ' التشرد الحد الأقصى ' إلى 0.5 مم، ' توقف الجهد المنخفض ' إلى 1.5 V، و ' توقف الجهد العالي ' إلى 4.6 V استخدام مربعات النص يظهر في واجهة المستخدم. مربعات اسم
    1. تحديد الدلائل الصورة والبيانات المطلوبة وملف الإخراج باستخدام النص في واجهة المستخدم. تعيين ' حفظ الصور ' في واجهة المستخدم بالتبديل إلى الموضع إلى الأسفل وانقر فوق الزر الأخضر مستطيلة الشكل أدناه العبارة ' "فرق الجهد" ' حيث أن ذلك يصبح مضيئة.
  2. تشغيل البرنامج Bending_Test والانتظار لواجهات الكاميرا ووحدة تحكم المحرك لتهيئة-
    3. تشغيل
  3. إضاءة وضبط السطوع حتى لا يكون مرئياً LPT. دورة ميكرومتر فودس في اتجاه عقارب الساعة حتى الجهد الإخراج المعروضة في الرسم البياني واجهة المستخدم هو ~1.7 ف. المنزلق
    1. استخدام الجهد على Equation 5-تحكم المحور المحرك للانتقال المرحلة Equation 1 الاتجاه حتى سم ~ 1 أدناه LPT ومجموعة Equation 5-موضع المحور الصفحة الرئيسية بالنقر فوق " منزل " زر.
  4. استخدام المنزلقات مقاومة متغيرة على Equation 7--و Equation 11-محور وحدات تحكم المحرك الموقف LPT عبر مركز قطاع الصلب رقيقة تقع على المسرح عينة في Equation 12 الاتجاه من الخندق. استخدم المنزلق مقاومة متغيرة في Equation 5-تحكم المحور المحرك للانتقال المرحلة Equation 1 الاتجاه حتى المرحلة هو داخل المجهر ' مجال الرؤية s-
  5. استخدام مربع التمرير مقاومة متغيرة على Equation 5-تحكم المحور المحرك للانتقال المرحلة Equation 1 الاتجاه بينما مشاهدة الرسم البياني الناتج الجهد في واجهة المستخدم. تحديد الموضع التقريبي فيها اتصالات LPT المرحلة ' السطح s التي تبحث عن تغيير في الجهد مع المزيد من الحركة المرحلة. سحب ميكرومتر المرحلة حوالي 10-
  6. انقر فوق الزر المسمى " "تبدأ اختبار" ". عندما تتم مطالبتك، قم بإدخال قيم 0.003 الخامس ومم 0.001 بالنسبة ' اللمس حساسية ' و ' اللمس قبالة حجم الخطوة '، على التوالي. انتظر إلى إكمال الاختبار.
    ملاحظة: بعد هذه النقطة، لا إزالة المرحلة من الصفيحة القاعدية المرحلة حتى اكتمال اختبار الانحناء لضمان قياسات دقيقة التشرد. ملف الإخراج الاستيفاء الجهد-التشرد قائمة محدد بعلامة جدولة متوسط قراءات الجهد الناتج فودس 100 والانحراف المعياري لهذه القراءات جنبا إلى جنب مع Equation 5- المرحلة موضع المحور في كل مرحلة التشرد العلاوة. مقطع النتائج الممثل يصف كيفية استخدام ملف البيانات هذا لتحويل الفولتية الإخراج فودس المقاسة إلى تشريد ليرة لبنانية-

5. اختبار الانحناء

  1. فتح وتشغيل Basic_Data البرنامج وتشغيل ميكرومتر فودس عقارب الساعة حتى الجهد الإخراج المعروضة في الرسم البياني واجهة المستخدم هو حوالي 3 ضد استخدام مربع التمرير مقياس الجهد الانزلاقي في < img alt = "المعادلة 7" src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg"/> -تحكم المحور المحرك لموقف LPT بين حواف الخندق أعلاه سبيكولي (انظر الشكل 4 ج)- المنزلق
    1. استخدام الجهد على Equation 5-تحكم المحور المحرك للانتقال المرحلة Equation 1 الاتجاه حتى LPT تحت السطح العلوي ريدج الخندق (انظر الشكل 5 ألف). وأخيراً، استخدام شريط التمرير مقياس الجهد الانزلاقي في Equation 11-تحكم المحور المحرك لإحضار السطح الأمامي النتوء الخندق إلى التركيز حيث يكون العرض الكامل لليرة لبنانية بين الحواف خندق ريدج. إيقاف البرنامج Basic_Data بالنقر ' وقف ' زر.
  2. فتح وتشغيل برنامج Center_LoadPoint (راجع ملف التعليمات البرمجية التكميلية). استخدام Equation 7-محور تحكم السيارات لنقل المرحلة حتى LPT تقريبا على اتصال على حافة خندق الحق. انقر فوق " "العثور على حافة" " زر.
  3. عند مطالبتك بذلك، استخدم Equation 7-محور موتور تحكم نقل المرحلة حتى LPT تقريبا على اتصال مع الحافة اليسرى الخندق. انقر فوق " "العثور على حافة" " زر. انتظر البرنامج لتحديد موضع LPT منتصف الطريق عبر فترة خندق (انظر الشكل 5 ب)-
    ملاحظة: بعد هذه النقطة من المهم عدم ضبط Equation 7-تحكم موتور محور كهذا سيؤدي إلى اختلالها من LPT.
  4. فتح البرنامج Bending_Test. تعيين حجم الخطوة 2 ميكرومتر، والتشرد كحد أقصى إلى 0.5 ملم، وتوقف الجهد المنخفض إلى 1.5 V وتوقف الجهد العالي إلى 4.5 V استخدام مربعات النص في واجهة المستخدم- مربعات اسم
    1. تحديد الدلائل الصورة والبيانات المطلوبة وملف الإخراج باستخدام النص في واجهة المستخدم. تعيين ' حفظ الصور ' التبديل في واجهة المستخدم إلى الموضع، وانقر فوق الزر الأخضر مستطيلة الشكل أدناه عبارة ' "فرق الجهد" ' ذلك لأنها ليست مضاءة.
  5. تشغيل البرنامج Bending_Test والانتظار لواجهات الكاميرا ووحدة تحكم المحرك لتهيئة-
  6. نقل المرحلة Equation 1 الاتجاه باستخدام شريط التمرير مقياس الجهد الانزلاقي في وحدة تحكم المحرك حتى يصل سبيكولي داخل المجهر ' s مجال الرؤية. استخدم المنزلق مقاومة متغيرة في Equation 11 -محور موتور تحكم نقل المرحلة حتى سبيكولي قيد LPT.
    1. ضبط المقابض تركيز المجهر حيث سبيكولي في التركيز في المستخدم واجهة (انظر الشكل 4 ج). تشغيل ميكرومتر فودس عقارب الساعة حتى الجهد الناتج هو ما يقرب من 1.8 ف.
  7. استخدم المنزلق مقاومة متغيرة على وحدة تحكم المحرك محور ع لنقل المرحلة Equation 1 الاتجاه أثناء مشاهدة الرسم البياني الناتج الجهد في واجهة المستخدم. تحديد الموضع التقريبي الذي اتصالات LPT سبيكولي التي تبحث عن تغيير في الجهد مع المزيد من الحركة للمرحلة. تتراجع في مرحلة ما يقرب من 50 ميكرومتر.
  8. انقر فوق " "تبدأ اختبار" " وانتظر حتى يتم إكمال اختبار الانحناء والمرحلة التي ترجع إلى Equation 5-موضع المحور الرئيسية.
    ملاحظة: المرحلة سينتقل تزايدات 2 ميكرومتر (على النحو المنصوص عليه في الخطوة 5، 4 من البروتوكول) Equation 1 الاتجاه، منحنية في سبيكولي (انظر الشكل 5 ج) حتى يتم الوفاء بواحدة من عدة شروط وقف. شروط وقف:) التوصل إلى تشريد المرحلة القصوى من 0.5 مم؛ ب فواصل سبيكولي) والبرنامج بالكشف عن انخفاض كبير في الجهد الناتج فودس؛ أو ج) بلوغ الحد الجهد العالي من 4.5 V. لإيقاف الشرط (أ)، ستتم مطالبة المستخدم إذا كانوا يرغبون في إنهاء الاختبار أو تجاوز القيمة السابقة. عندما ' تجاوز ' هو المحدد، المستخدم سوف يكون فرصة لزيادة الحد الأقصى مرحلة التشرد أو عكس اتجاه هذه الخطوة مرحلة التشرد بغية مواصلة جمع البيانات كما سبيكولي يتم إلغاء تحميل. كما يمكن تغيير اتجاه الزيادة مرحلة التشرد بالنقر " "عكس تحميل" " الزر عند أي نقطة أثناء الاختبار. ملف الإخراج اختبار الانحناء له نفس بنية الاستيفاء الجهد-التشرد ملف الإخراج التي تم إنشاؤها في الخطوة 4، 6 من البروتوكول. فقائمة محدد بعلامة جدولة متوسط قراءات الجهد الناتج فودس 100 والانحراف المعياري لهذه القراءات جنبا إلى جنب مع Equation 5-موضع المحور المرحلة في كل مرحلة زيادة التشرد. مقطع النتائج الممثل يصف كيف يتم استخدام ملف البيانات هذا جنبا إلى جنب مع الملف الاستيفاء الجهد-التشرد لحساب ناتئ نزوح وتشريد المرحلة أثناء اختبار الانحناء. بعد ذلك، يتم استخدام صلابة ناتئ لحساب القوة تطبقها LPT على سبيكولي.
  9. بعد اكتمال الاختبار، تتحول ميكرومتر فودس عقارب الساعة حتى يصل فودس مالا يقل عن 5 مم من النسخة المتطابقة LPT. ثم، بعناية إزالة المرحلة من الصفيحة القاعدية المرحلة.

Figure 5
الرقم 5: الإجراء لمحاذاة LPT مع الخندق ' s منتصف فترة و أداء الانحناء test. LPT (A) يتم وضع أسفل السطح العلوي ريدج خندق في نهاية الخطوة 5، 1 من البروتوكول، ولكن ليس بعد وضعه في منتصف فترة. يتم الانتهاء من الإجراءات (ب) موقف LPT بعد توسيط الموضحة في الخطوات 5.2 و 5.3 من البروتوكول. (ج) صورة مجهرية من سبيكولي المتخذة أثناء اختبار الانحناء. تشريد المقطع العرضي سبيكولي تحت LPT، Equation 14، يتم وضع علامة تخطيطياً. تغيير حجم أشرطة = 250 ميكرومتر (أ-ج). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

النواتج الأساسية لأي اختبار الميكانيكية هي حجم القوة المطبقة على العينة والتشريد في الموقع حيث يتم تطبيق القوة. وفي حالة اختبار الانحناء ثلاث نقاط، والهدف الحصول على حجم القوة تطبقها LPT، Equation 13 ، والتشريد للمقطع العرضي للعينة تحت LPT في Equation 4 الاتجاه، Equation 14 . ولكن لجهاز اختبار الميكانيكية الموضحة هنا، يجب إجراء عدة خطوات تجهيز لتحويل بيانات الإخراج التي تم الحصول عليها من الخطوات 2 و 4 و 5 من البروتوكول إلى هذا المطلوب Equation 13 - Equation 14 البيانات. ملفات البيانات التي تم الحصول عليها من اختبار الانحناء ثلاث نقاط: 1) الملف الاستيفاء الجهد-التشرد؛ 2) ملف معايرة القوة؛ و 3) ملف اختبار الانحناء. ويرد في الجدول 1موجزاً للكميات المقاسة والمشتقة.

الرمز تعريف
Nh عدد قيم الفولتية في ملف الإخراج الاستيفاء الجهد-التشرد
تح يقاس الجهد القيم في الخطوة 4 من البروتوكول
ΣVh الانحراف المعياري الخامسح
ضش قياس موقف المرحلة في الخطوة 4 من البروتوكول
نج عدد قياسات القوة في ملف الإخراج معايرة القوة
وج القوة المستخدمة بمعايرة الأوزان في الخطوة 2 من البروتوكول
الخامسج يقاس الجهد القيم في الخطوة 2 من البروتوكول
ΣVc الانحراف المعياري الخامسج
zlc موقف ليرة لبنانية في الخطوة 2 من البروتوكول المحسوبة باستخدام الخامسح و الخامسج
ثlc تشريد ليرة لبنانية في الخطوة 2 من البروتوكول بحسابها من zlc
Nt عدد قياسات القوة والتشريد في ملف الإخراج اختبار الانحناء
ضش الموقف من المرحلة في الخطوة 5 من البروتوكول
ثش تشرد المرحلة في الخطوة 5 من البروتوكول
Vt يقاس الجهد القيم في الخطوة 5 من البروتوكول
Σفاتو الانحراف المعياري من Vt
zالملازم موقف ليرة لبنانية في الخطوة 5 من البروتوكول المحسوبة باستخدام تح وتر
ثالملازم تشريد ليرة لبنانية في الخطوة 5 من البروتوكول المحسوبة من zالملازم
و القوة التي تطبقها ليرة لبنانية في الخطوة 5 من البروتوكول المحسوبة من zالملازم
w0 التشرد من المقطع العرضي سبيكولي تحت ليرة لبنانية في الخطوة 5 من البروتوكول

الجدول 1: ملخص للرموز المستخدمة للكميات المقاسة في الخطوتين 2 و 4 و 5 من البروتوكول وحسابها في قسم النتائج الممثل.

وغرض الملف الاستيفاء الجهد-التشرد تتعلق بقياس الفولتية الإخراج فودس تشرد LPT. يتم هذا عن طريق اقتران جامد LPT إلى مرحلة الترجمة حيث أن المرحلة التي يتم نقلها في Equation 1 الاتجاه، والتغيير في Equation 5 -محور المرحلة الموقف يساوي التشرد LPT (الخطوة 4 من البروتوكول). يحتوي الملف الاستيفاء التشرد الجهد على مجموعة من النقاط Equation 15 ، حيث Equation 16 هو متوسط فودس إخراج الجهد على قياسات 100 بمعدل أخذ عينات من 1000 هرتز، Equation 17 الانحراف المعياري المقترن من الجهد 100 القياسات، Equation 18 هو Equation 5 -محور المرحلة الموقف و Equation 19 هو عدد مرحلة التشرد الخطوات (انظر الشكل 6 (ب)).

يسمح ملف معايرة قوة صلابة ناتئ لقياس ذلك تشريد ليرة لبنانية يمكن استخدامها لحساب حجم القوة تطبقها ليرة لبنانية. يحتوي ملف معايرة القوة على مجموعة من النقاط Equation 20 ، حيث Equation 21 هو متوسط فودس إخراج الجهد على قياسات 100 بمعدل أخذ عينات من 1000 هرتز، Equation 22 الانحراف المعياري المقترن 100 قياسات الجهد، Equation 23 هو القوة تمارسها الأوزان على LPT، و Equation 24 العدد لمعايرة الأوزان المستخدمة. لاحظ أن هناك نقطتين أكثر مما هناك معايرة الأوزان لأن تقاس بالنقطة الأولى للصفر تطبيق القوة والنقطة الثانية للقوة التي تمارسها ربط الأسلاك وحدها.

وأخيراً، يتم استخدام ملف اختبار الانحناء لحساب Equation 14 و Equation 13 . يحتوي على مجموعة من النقاط Equation 25 ، حيث Equation 26 هو متوسط فودس إخراج الجهد على قياسات 100 بمعدل أخذ عينات من 1000 هرتز، Equation 27 الانحراف المعياري المقترن القياسات الجهد 100، Equation 28 هو Equation 5 -محور المرحلة الموقف و Equation 29 من مقاعدالبحث والتطوير لمرحلة التشرد الخطوات أثناء اختبار الانحناء.

الأولى، Equation 5 المكون LPT الموقف أثناء معايرة القوة، Equation 30 ، يتم العثور عليها بواسطة المجموعة Equation 31 خريطة Equation 21 القيم ل Equation 32 القيم عن طريق الاستيفاء الخطي. Equation 5 مكون تشريد LPT تمنحها Equation 33 ، Equation 34 . منذ نزوح LPT صغيرة مقارنة بطول ناتئ، العلاقة بين Equation 23 و Equation 35 ويبدو أن الخطي. ولذلك، يمكن حسابها صلابة ناتئ بتركيب خط Equation 36 البيانات والحوسبة المنحدر، Equation 37 . مجموعة تمثيلية من النقاط Equation 36 وتظهر السطر المجهزة المقابلة لها في رقم 6A. كان تصلب ناتئ المستخدمة في التجارب الانحناء 90.6 ± 0.3 N/m.

Figure 6
رقم 6: نتائج تمثيلية test. الانحناء ثلاث نقاط (أ) القوة والتشريد البيانات (رمادي) التي تم الحصول عليها في الخطوة 2 من البروتوكول جنبا إلى جنب مع تناسب خطي (الأزرق) المستخدمة لتقدير صلابة ناتئ. (ب) مثال من البيانات الموجودة داخل ملف الإخراج الاستيفاء الجهد-التشرد. فودس المقاسة إخراج الجهد، Equation 51 ، موقف المسرح، Equation 52 ، يمكن الحصول عليها عن طريق الاستيفاء الخطي. هذا وتستخدم لقياس تشريد ناتئ، Equation 50 ، أثناء الانحناء الاختبار. (ج) ممثل القوة-التشرد ردود مختلفة 3 هاء-أسبيرجيلوم مرساة spicules من ثلاث نقاط بنجاح اختبارات الانحناء. (د) استجابة القوة-التشرد من اختبار الانحناء ثلاث نقاط غير ناجحة. غير خطية المنحنى يوحي بأن سبيكولي غير صحيح جالساً على المسرح عينة وانزلق أو إعادة توجيه بعد أن أجريت اتصالات أولية مع LPT. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

المقبل، Equation 5 المكون LPT الموقف أثناء اختبار الانحناء، Equation 38 ، يتم العثور عليها بواسطة المجموعة Equation 31 خريطة Equation 26 القيم ل Equation 39 القيم عن طريق الاستيفاء الخطي. Equation 5 تمنحها مكون تشريد LPT أثناء اختبار الانحناء Equation 40 ، Equation 41 . Equation 5 تمنحها مكون تشريد المرحلة أثناء اختبار الانحناء Equation 42 .

منذ LPT وسبيكولي في الاتصال خلال مجمل الاختبار الانحناء، وتشريد سبيكولي، Equation 43 وترد عليه

Equation 44(1)

وهذه القوة التي تطبقها LPT، Equation 45 ، هو

Equation 46(2)

من المهم أن نلاحظ أنه منذ تعيين Equation 31 تستخدم للحصول على كل Equation 32 و Equation 39 القيم عن طريق الاستقراء، والقيم Equation 47 و Equation 26 يجب أن تكون ضمن النطاق من Equation 16 . وهذا يضمن تحديد القيم المناسبة لانطلاق الجهد والجهد العالي توقف القيم في الخطوات 2و 4 و 5 من البروتوكول.

الرقم 6 ج يبين منحنيات القوة-التشرد لثلاثة spicules الممثل. لهياكل مرنة مرهف، الخطي محملة في ثلاث نقاط الانحناء، Equation 13 ومن المتوقع أن تزيد خطيا مع Equation 14 لقيم صغيرة من Equation 14 30. غير خطية Equation 13 - Equation 14 منحنى الصغيرة Equation 14 (مثلاً، انظر الشكل 6د) عادة ما يوحي بأن سبيكولي قد لا أن يجلسوا بشكل صحيح على المسرح عينة. في هذه الحالة، يجب إيقاف الاختبار وإعادة تحديد موضعها سبيكولي على المسرح عينة (الخطوة 3، 6 من البروتوكول).

لضمان دقة كافية Equation 13 و Equation 14 القياسات، تغيير الجهد الكلي على مدى اختبار الانحناء، Equation 48 ، يجب أن تكون على الأقل 1 V. في حالة تغيير الجهد الإجمالي أقل من 1 V، ناتئ متوافقة مع أكثر ينبغي أن سراج الديناختيار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

عدة خطوات للبروتوكول تكتسي أهمية خاصة لضمان أن القوات وعمليات التشريد تقاس بدقة. في حين أن بعض هذه الخطوات الحاسمة عالمية لجميع الاختبارات الانحناء ثلاث نقاط، الآخرين فريدة من نوعها لهذا الجهاز اختبار الميكانيكية.

في الخطوة 1، 2 من البروتوكول هو تنظيف مرآة ليرة لبنانية وتفتيشها الخدوش، وفي الخطوة 1، 6 من البروتوكول هو مجموعة كسب فودس. من المهم لتحقيق كسب شخصي وانعكاس مرآة ليرة لبنانية أن تكون ثابتة الخطوات 2و 4و 5 من البروتوكول. ولهذا السبب، ينبغي القيام بالخطوات اثنين المعايرة (الخطوات 2 و 4 من البروتوكول) مباشرة قبل اختبار الانحناء (الخطوة 5 من البروتوكول).

في خطوات 1.9 و 3.7 من البروتوكول هو تسوية المرحلة فيما يتعلق بسطح الجدول العزلة. التأكد من أن هذه الخطوات Equation 2 هو عنصر القوة عمودي على المحور الطولي سبيكولي. يصنع الإطار جهاز اختبار الميكانيكية حيث تكون جميع موازية لسطح الطاولة العزلة ناتئ ومرآة ليرة لبنانية، والسطح من فودس. وهذا يعني أن جهاز استشعار القوة سوف قياس عنصر القوة والتشريد العادي إلى السطح الجدول العزلة. إذا كان الأعلى من المرحلة المنحرفة من زاوية Equation 53 ثم فيما يتعلق بسطح الطاولة العزلة، سيتم تشريد المقاسة LPT Equation 55 ، حيث Equation 54 هو تشريد الفعلي في الاتجاه عمودي المحور الطولي في سبيكولي (انظر الشكل 7). منذ Equation 56 ، هذه النتائج في أكثر التنبؤ بالقوى عند تطبيقها، وظل التنبؤ بتشريد سبيكولي كل المعادلات (1) و (2).

Figure 7
رقم 7: أثر مرحلة التسوية على قياسات التشرد. (أ) المرحلة يميل بزاوية، Equation 53 ، فيما يتعلق بسطح الطاولة العزلة والسطح السفلي ناتئ. (ب) تشريد ليرة لبنانية في الاتجاه الرأسي، Equation 50 (انظر الشكل 1 (د))، ويقاس فودس. العنصر في تشريد ليرة لبنانية في اتجاه عمودي على محور سبيكولي Equation 54 . الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

في خطوات 5.1-المتمركزة5.3 من البروتوكول LPT منتصف الطريق عبر تمتد في الخندق. سيؤدي إلى اختلال LPT فيما يتعلق بمدى متوسط العينة التي تظهر أشد مما هو عليه في الواقع 31،32. ، سيكون أصغر من تلك التي سيقاس إذا طبقت نفس القوة في فترة منتصف التشرد سبيكولي. يمكن تجنب هذا النوع من الانحراف بعدم إزالة المرحلة من الصفيحة القاعدية المرحلة أو ضبط x-محور المرحلة الموقف بعد الإجراء التوسيط كاملة (خطوات 5.1-5.3 من البروتوكول).

واحد الحد من هذا الأسلوب أنه بغية الحد من عدم اليقين القياس النسبي لقياسات القوة والتشريد، ينبغي اختيار صلابة ناتئ حيث أن الفولتية الإخراج فودس تغطي مجموعة كاملة من 1.8 إلى 4.5 V أثناء الانحناء اختبار. ومع ذلك، نطاق هذا الجهد يناظر ناتئ تشريد حوالي ميكرون إيتش تو فايف زيرو، الذي هو تقريبا نفس التشريد سبيكولي فقط قبل ذلك فشل (انظر الشكل 6 (ج)). هذا يعني أن ناتئ وسبيكولي ستيفنيسيس مماثلة. بينما هذه ليست إشكالية بالنسبة لقياس استجابة مرنة وخصائص القوة سبيكوليس، فإنه يحول دون القياس الدقيق لخصائص المتانة سبيكوليس. هذا سبب ضمانا للقياس الدقيق لخصائص المتانة، يجب نشر وجود صدع في سبيكولي في طريقة التي تسيطر عليها 33. عادة، وهذا ممكن فقط إذا كان الجهاز اختبار صلابة كثير من العينة 33. من أجل زيادة صلابة جهاز الاختبار، يمكن استخدام جهاز استشعار تشرد أكثر حساسية بدلاً من فودس.

بينما بروتوكول اختبار الانحناء يتجلى في سبيكوليس أسبيرجيلوم هاء ، يمكن استخدام جهاز الاختبار الميكانيكي إجراء اختبارات الانحناء ثلاث نقاط على لبس وكذلك المواد الاصطناعية الأخرى. هذا جهاز اختبار الميكانيكية الأكثر ملاءمة للعينات الذين تتراوح أقطار مستعرضة من 0.01 إلى 1 ملم وخندق يمتد تتراوح بين 1 إلى 10 مم. لأقطار أكبر، ينبغي إعادة تصميم منصة العينة حيث أن العينة لا يمكن لفة عبر المرحلة. وهذا ليس مسألة للألياف أصغر، مثل سبيكوليس، نظراً لخشونة السطح المرحلة بما فيه الكفاية لمنع العينة من المتداول. إنصاف أقطار حواف الخندق ولبت ينبغي أيضا أكبر لتجنب إدخال الضرر المحلية في النقاط حيث هو العينة المعتمدة 31،32. وعلاوة على ذلك، يجب تثبيتها مرحلة التسوية لوحة للصفيحة القاعدية المرحلة (انظر الشكل 4أ) باستخدام مسامير غطاء الرأس مأخذ ¼ "-20 بعد الخطوة 3، 7 من البروتوكول لمنع المرحلة إمالة إذا تجاوزت قوات إيتش وان ن.

لقوة دقيقة وقياس التشرد، صلابة ناتئ ينبغي دائماً أقل بكثير من تصلب الإطار (إيتش وان زيرو7 ن/م). يحد هذا الشرط القوة القصوى التي يمكن تطبيقها بهذا الجهاز إلى إيتش تو فايف أ. ونتيجة لذلك، من المهم تقدير أقصى قوة يمكن أن تصمد أمام عينة قبل إجراء اختبار الانحناء لتحديد ما إذا كان يمكن استخدام هذا الجهاز لإجراء الاختبار.

هذا العمل يوفر للبروتوكول، والرسومات الفنية (انظر التكميلية ملف 1) والبرامج (انظر ملفات التعليمات البرمجية التكميلية) لاستنساخ واستخدام لدينا جهاز اختبار الميكانيكية. نأمل أن هذا سيوفر منبرا لدقة قياس السلوك العاطفة للبس مختلفة كثيرة. هذه القياسات شرط مسبق للتوصل إلى فهم أعمق العلاقة بين الهندسة المعمارية لبس وخصائصه الميكانيكية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

هذا العمل كان تدعمها "المؤسسة الوطنية للعلوم" [ميكانيكا المواد وبرنامج الهياكل، منح رقم 1562656؛ والجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين [جائزة المحقق الشاب هايثورنثويتي].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard TMC 63-563 Isolation Table
Diffeential Screw Adjuster Thorlabs DAS110 For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations Thorlabs 150-801ME For stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes Thorlabs PT102 For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps Thorlabs DT25 For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps Thorlabs PT1B For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail Edmund Optics 54-401 For microscope mount
2.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-404 For microscope mount
0.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-403 For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 Edmund Optics 57-788 Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube Edmund Optics 56-125 Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube Edmund Optics 56-126 Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) Edmund Optics 53-787 Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope Objective Edmund Optics 55-790 Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 Edmund Optics 38-944 Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide Edmund Optics 42-347 Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder Edmund Optics 55-718 Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera Edmund Optics 88-452 Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike Edmund Optics 68-586 Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation Stage Thorlabs MS1S FODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor Philtec D20 FODS
30V, 3A DC Power Supply Agilent U8001A Power supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ National Instruments USB-6009 DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation Stage Thorlabs Thorlabs T25 XYZ-E/M Translation stage
T-Cube DC Servo Motor Controller Thorlabs TDC001 Motor controller for stage
T-Cube Power Supply Thorlabs TPS001 Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1) National Instruments Used for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) National Instruments Used for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body MVI MDA96000 Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider MVI MDB45305 Polarized light microscope
Nikon Dia-Polarizer MVI MDN11920 Polarized light microscope
Power Cord - 7'6" MVI 79035 Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical Stage MVI MDC45000 Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat Condenser MVI MBL16100 Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD MVI MBP60125 Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube F MVI MBB93100 Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC MVI MAK10110 Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective MVI MUE42100 Polarized light microscope
Venus Flower Basket Sponge Denis Brand N/A Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier McMaster Carr 1490T5 Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> Ted Pella 16011 Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton Swab McMaster Carr 71035T31 Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knife McMaster Carr 35575A68 Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm Ted Pella 260409 Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L Ted Pella 11806 Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish Ted Pella 5367-5NM Used for handling spicules
Dual Axis Linear Scale Micrometer Edmund Optics 58-608 Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS ESD Plastic Containers FT-38-CAS Used for storing spicules
Plastic Vial Bullseye Level McMaster Carr 2147A11 Used for leveling the stage
Analytical Balance Mettler Toledo MS105DU Used to mass calibration weights

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة الحيوية، المسألة 128، توصيف الميكانيكية، الخواص الميكانيكية، ثلاث نقاط الانحناء الاختبار، ناتئ قوة الاستشعار، الألياف البصرية التشرد الاستشعار، المواد البيولوجية الهيكلية، والألياف بيوسيليكا، أسبيرجيلوم يوبليكتيلا، سبيكولي
نظام ملليمتر اختبار العاطفة مقياس لقياس الخواص الميكانيكية للاسفنج البحري سبيكوليس
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., … More

Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., Kesari, H. A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules. J. Vis. Exp. (128), e56571, doi:10.3791/56571 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter