Vi præsenterer en protokol til at udføre tre-punkts bøjning test på sub millimeter skala fibre ved hjælp af en specialbygget mekaniske test enhed. Enheden kan måle styrker spænder fra 20 µN op til 10 N og kan derfor rumme en bred vifte af fiber størrelser.
Mange indlæse forsynet med biologiske strukturer (LBBSs) — som fjer rachises og knoglesplinter — er små (< 1 mm), men ikke mikroskopiske. Måling bøjnings opførsel af disse LBBSs er vigtigt for at forstå oprindelsen af deres bemærkelsesværdige mekaniske funktioner.
Vi beskriver en protokol for tre-punkts bøjning test bruger specialbyggede mekaniske test udstyr, der kan måle tvinger spænder fra 10-5 til 101 N og forskydninger spænder fra 10-7 til 10-2 m. Den primære fordel ved denne mekaniske test enhed er, at kraft og forskydning kapaciteten let kan justeres til forskellige LBBSs. Enhedens Funktionsprincip er ligner en atomic force microscope. Nemlig anvendes kraft på LBBS ved en belastning punkt, der er knyttet til slutningen af en cantilever. Belastning punkt forskydning er målt af en fiber optic forskydning sensor og omdannet til en kraft ved hjælp af målte cantilever stivhed. Enhedens kraft sortiment kan justeres ved hjælp af udkragninger af forskellige stiffnesses.
Enhedens funktioner er bevist ved at udføre tre-punkts bøjning test på de skeletale elementer af marine svampen Euplectella aspergillum. De skeletale elementer — kendt som knoglesplinter — er silica fibre, der er ca 50 µm i diameter. Vi beskriver procedurerne for kalibrering mekaniske prøvningsanordningen, montering af knoglesplinter på en tre-punkts bøjning armatur med en spændvidde, ≈1.3 mm, og udfører en bøjning test. Den kraft, spicule og dens fordrejning på placeringen af den anvendte kraft måles.
Ved at studere arkitekturerne af bærende biologiske strukturer (LBBSs), som shell og knogler, har ingeniører udviklet nye kompositmaterialer, som er både stærk og sej 1. Det har vist sig at de bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber af LBBSs og deres bio-inspirerede modparter er relateret til deres indviklede interne arkitekturer 2. Men relationer mellem LBBS arkitekturer og mekaniske egenskaber er ikke fuldt forstået. Måling af en LBBS mekanisk svar er det første skridt mod forståelse hvordan dens arkitektur forbedrer dens mekaniske egenskaber.
Det er imidlertid vigtigt, at typen test bruges til at måle en LBBS mekanisk svar er i overensstemmelse med dens mekaniske funktion. For eksempel da fjer skal understøtte aerodynamiske belastninger, er en fjer rachis primære funktion at give bøjnings stivhed 3. Derfor foretrækkes en bøjning test fremfor et enakset spænding test til at måle dens mekaniske svar. I virkeligheden, mange LBBSs — såsom fjer rachises 3, græs stammer 4og knoglesplinter 5,6,7,8— primært deformeres ved at bøje. Dette skyldes, at disse LBBSs er slank –dvs., deres længde er meget større end deres bredde eller dybde. Imidlertid udføre bøjning test af disse LBBSs udfordrende fordi de styrker og forskydninger, kan modstå før svigtende spænder fra 10-2 til 102 N og 10-4 til 10-3 m, henholdsvis 3 , 4 , 5 , 7 , 8. den enhed, der bruges til at udføre disse mekaniske test bør derfor have kraft og forskydning opløsninger af ≈10-5 N og ≈10-7 m (dvs. 0,1% af sensorens maksimale målelige kraft og forskydning), henholdsvis.
Kommercielt tilgængelige, store skala, mekanisk prøvning systemer typisk ikke kan måle kræfter og forskydninger med denne beslutning. Mens atomic force microscope-baserede 9,10 eller microelectromechanical systemer-baserede 11 test enheder har tilstrækkelig opløsning, den maksimale kraft (respektive forskydning) de kan måle er mindre end den maksimal kraft (respektive forskydning), LBBS kan modstå. Derfor, for at udføre bøjning tests af disse LBBSs, ingeniører og forskere skal stole på specialbyggede mekaniske test enheder 5,7,12,13. Den primære fordel ved disse specialbyggede enheder er, at de kan rumme store intervaller af styrker og forskydninger. Men, opførelse og drift af disse enheder er ikke godt dokumenteret i litteraturen.
En protokol, der er beskrevet for tre-punkts bøjning test bruger specialbyggede mekaniske test udstyr, der kan måle tvinger spænder fra 10-5 til 101 N og forskydninger spænder fra 10-7 til 10-2 m. Tekniske tegninger, herunder alle dimensioner af komponenter af den mekaniske test enhed leveres i det supplerende materiale. Den primære fordel ved denne mekaniske test enhed er, at kraft og forskydning intervaller let kan justeres så de passer til forskellige LBBSs. Enhedens Funktionsprincip er ligner en atomic force microscope 9. I denne enhed, modellen er placeret på tværs af en grøft, skåret i en rustfri plade (Se figur 1A-C). Span af renden er målt fra optiske micrographs skal 1278 ± 3 µm (gennemsnit ± standardafvigelse; n = 10). Skyttegrav kanter støtte modellen under en bøjning test (jf. figur 1 cog D). Denne prøve fase er knyttet til en tre-akse oversættelse fase og anbringes under en aluminium kile, Kilen er placeret midtvejs på tværs af den rende span (Se figur 1C). Ved at flytte fase den retning (Se figur 1A, og C), modellen er skubbet ind i Kilen forårsager modellen til at bøje.
Vi henviser til kile som belastning punkt tip (LPT) og del af den enhed, der indeholder kile som belastning (LP). LP er knyttet til slutningen af en cantilever, hvis deplacement er målt af en fiber optic forskydning sensor (FODS). FODS udsender infrarødt lys, hvilket afspejles af et spejl, beliggende på oversiden af LP (Se figur 1B) og modtaget af en optisk fiber i til FODS. En ≈5 mm firkantet stykke plade en poleret silicium anvendes som LP spejl og er fastgjort til LP med epoxy. FODS måler forskydninger ved at sammenligne intensiteten af den udsendte og reflekteret lys. Cantilever stivhed og forskydning er bruges til at beregne kraften, , erfarne af kile på grund af dens interaktion med modellen. Cantilever forskydning er også bruges til at beregne fordrivelse af modellens tværsnit under wedge, . Cantilever-baserede Kraftmålerne har været brugt i en række mikro – og makro-skala mekaniske test undersøgelser 10,11,12,13,14. Den specifikke design præsenteres her er tilpasset fra en mekanisk prøvningsanordningen anvendes til at udføre selvklæbende kontakt eksperimenter 14. Et lignende design har også været anvendt i et kommercielt tilgængelige mikro-tribometer 15,16.
Figur 1: oversigt over den specialbyggede mekaniske prøvningsanordningen. (A) A computer aided design rendering af enheden. Fase komponenter er markeret med grønt. Den kraft sensing halvfabrikata (cantilever, belastning punkt (LP)) er fremhævet med rødt. (B) en forstørret visning af (A). LP spejl er vist med blåt på oversiden af LP under til FODS og er mærket LPM. (C) det koordinatsystem, der bruges til at beskrive bevægelse af oversættelse fase. Ved udjævning the fase i trin 1.9 i protokollen, den retning er lavet til at falde sammen med vektor vinkelret på overfladen af LP spejl. (D) A skematisk af den tre-punkts bøjning konfiguration viser deformation af spicule og de målte forskydninger , og . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Enhedens funktioner er bevist ved at udføre tre-punkts bøjning test på de skeletale elementer af marine svampen Euplectella aspergillum6,7. Denne svamp skelet er en forsamling af filamenter, kaldet knoglesplinter (Se figur 2A). Knoglesplinter er ≈50 µm tykt og består primært af silikater 6. Biosilica-baserede knoglesplinter findes i svampe tilhører klasserne Demospongiae, Homoscleromorpha og Hexactinellida. Svampe, såsom E. aspergillum, der tilhører klasse Hexactinellida er også kendt som “glas svampe.” Mens knoglesplinter af glas svampe er sammensat primært af silica, har det vist sig at silica ofte indeholder en organisk grundsubstans, sammensat af enten kollagen 17,18 eller kitin 19,20 , 21. denne organiske matrix spiller en vigtig rolle i silica biomineralization 18,20. Desuden i nogle knoglesplinter fungerer den organiske matrix også som en skabelon for biomineralization af calcium 22. Ud over at blive fordelt inden for silica, kan den organiske matrix også danne forskellige lag, at partitionerer den spicule silica i koncentriske, cylindrisk lamellae 6,23. Det har vist sig at denne koncentrisk, gråt arkitektur kan påvirke knoglesplinter deformation adfærd 6,7,8,24,25,26 . Derfor knoglesplinter mekaniske egenskaber bestemmes af en kombination af deres kemi (dvs., den kemiske struktur af silica-protein komposit) og deres arkitektur 27. Både den kemiske struktur og arkitektur af glas svamp knoglesplinter er stadig under efterforskning 24,28,29.
De fleste af knoglesplinter i E. aspergillum er cementerede sammen til at danne en hård skelet bur. I bunden af skelettet er der imidlertid en TOT af meget længe (≈10 cm) knoglesplinter kendt som anker knoglesplinter (Se figur 2A). Vi beskriver protokol til tre-punkts bøjning test på små sektioner af anker knoglesplinter.
I trin 1 i protokollen beskrevne procedure for samling og justering af komponenterne i den specialbyggede mekaniske test enhed. Trin 2 og 4 i denne protokol giver instruktioner til generere kalibreringsdata bruges til at beregne styrker og forskydninger i bøjning test. De skridt til at forberede en del af en spicule og montere det til test Armaturet er beskrevet i trin 3. Procedure for udførelse af bøjning test på afsnittet spicule er beskrevet i trin 5. Endelig, i afsnittet Repræsentant resultater kalibrering oplysninger indhentet i trin 2 og 4 er bruges sammen med bøjning test oplysninger indhentet i trin 5 til at beregne og .
Figur 2: Procedure for skæring og inspicere E. aspergillum knoglesplinter. (A) et skelet af E. aspergillum. Fritstående anker knoglesplinter TOT er vist i bunden af skelettet. Skalalinjen er ~ 25 mm. (B) en enkelt anker spicule er holdt på plads på et objektglas med et #00000 rød Zobel pensel og sectioned ved hjælp af et barberblad. Skalalinjen er ~ 12 mm. (C) en del af en E. aspergillum spicule placeret på tværs af renden på prøve scenen. Skyttegrav kanter og grøft ridge er fremhævet i krikand og orange, henholdsvis. Spicule er skubbet mod renden højderyg til at sikre, at dens akse er vinkelret på renden kanter. (D) A Mikrograf af en spicule, der passerer inspektion fremgangsmåden i trin 3.4 i den protokol, som beskriver, hvordan at afgøre, om et spicule afsnit er beskadiget og skal kasseres. (E) A Mikrograf af en spicule, der indeholder mange revner og mangler store dele af silica lag, der ikke ville kontrolproceduren beskrevet i trin 3.4 i protokollen. Skalere barer = 250 µm (C), 100 µm (D) og 100 µm (E). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Flere trin i protokollen er særlig vigtige for at sikre, at styrker og forskydninger måles nøjagtigt. Mens nogle af disse kritiske trin er universelle for alle tre-punkts bøjning test, er andre unikke for denne mekaniske test enhed.
Trin 1.2 i protokollen LP spejl er renses og inspiceres for ridser, og i trin 1,6 i protokollen er FODS gain indstillet. Det er vigtigt for gevinst og LP spejl reflektionsgrad at være konstant til trin 2, <str…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation [mekanik af materialer og strukturer Program, tildele nummeret 1562656]; og den amerikanske Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].
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 |