Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Een Millimeter schaal buigsterkte testsysteem voor het meten van de mechanische eigenschappen van mariene spons botsplinters

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

Summary

Presenteren we een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven op sub millimeter schaal vezels met behulp van een custom-built mechanische beproevingstoestel. Het apparaat kan meten krachten variërend van 20 µN tot 10 N en is daarom geschikt voor een verscheidenheid van grootte van de vezels.

Abstract

Veel laden rekening houdend met biologische structuren (LBBSs) — zoals veer rachises en botsplinters — zijn klein (< 1 mm) maar niet microscopische. Het meten van de buigsterkte gedrag van deze LBBSs is belangrijk voor het begrijpen van de oorsprong van hun opvallende mechanische functies.

We beschrijven een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven met behulp van een custom-built mechanische testen apparaat dat kan meten dwingt variërend van 10-5 tot 101 N en verplaatsingen variërend van 10-7 tot 10-2 m. Het belangrijkste voordeel van dit mechanische testen apparaat is dat de kracht en de verplaatsing capaciteit gemakkelijk kunnen worden aangepast voor verschillende LBBSs. Het werkingsprincipe van het apparaat is vergelijkbaar met die van een atomic force microscope. Namelijk, kracht wordt toegepast op de LBBS door de punt van een belasting die is gekoppeld aan het einde van een cantilever. De verplaatsing van lading punt wordt gemeten door een sensor fiber optic verplaatsing en omgezet in een kracht met behulp van de gemeten cantilever stijfheid. Van het apparaat kracht bereik kan worden aangepast met behulp van de uitkragingen van verschillende stiffnesses.

Van het apparaat mogelijkheden worden gedemonstreerd door het verrichten van drie-punt buigende proeven op het skelet elementen van de mariene spons Euplectella Wijwaterkwast. De skelet elementen — bekend als botsplinters — silica-vezels die ongeveer 50 µm in diameter zijn zijn. We beschrijven de procedures voor het kalibreren van het mechanische beproevingstoestel, de botsplinters montage op een drie-punt buigende armatuur met een spanwijdte van ≈1.3 mm en uitvoeren van een buigen test. De kracht uitgeoefend op de spicule en de uitwijking op de locatie van de toegepaste kracht worden gemeten.

Introduction

Door het bestuderen van de platforms van dragende biologische structuren (LBBSs), zoals shell en bot, hebben de ingenieurs ontwikkeld nieuwe samengestelde materialen die zowel sterk en taai 1. Het is aangetoond dat de opmerkelijke mechanische eigenschappen van LBBSs en hun tegenhangers bio-geïnspireerde zijn gerelateerd aan hun ingewikkelde interne platforms 2. De relaties tussen LBBS platforms en mechanische eigenschappen worden echter niet volledig begrepen. Het meten van de mechanische reactie van een LBBS is de eerste stap naar inzicht in hoe de architectuur verbetert de mechanische eigenschappen.

Het is echter belangrijk dat het type test gebruikt voor het meten van een LBBS mechanische antwoord met haar mechanische functie strookt. Bijvoorbeeld, omdat veren aërodynamische ladingen steunen moeten, is de primaire functie van de spil van een veer bedoeld als buigsterkte stijfheid 3. Een buigmoment test daarom verkiezen boven een eenassige spanning test voor het meten van de mechanische reactie. In feite, vele LBBSs — zoals veer rachises 3, gras stengels 4en botsplinters 5,,6,,7,8— vooral vervormen door buigen. Dit is omdat deze LBBSs slanke zijn —dat wil zeggen, de lengte is veel groter dan hun breedte of diepte. Echter, buigende tests uitvoeren op deze LBBSs is uitdagend omdat de krachten en verplaatsingen die ze kunnen weerstaan voordat van 10-2 tot en met 10 variëren-2 N en 10-4 tot 10-3 m, respectievelijk 3 , 4 , 5 , 7 , 8. daarom het apparaat gebruikt voor het uitvoeren van deze mechanische tests moeten de resoluties van de kracht en de verplaatsing van ≈10-5 N en ≈10-7 m (dat wil zeggen, 0,1% van de maximale measureable kracht en de verplaatsing van de sensor), respectievelijk.

Verkrijgbare, grote schaal, mechanische testen systemen meestal niet meten krachten en verplaatsingen met deze resolutie. Atomaire kracht Microscoop gebaseerde 9,10 of microschakelaars systemen gebaseerde 11 testen apparaten hebben voldoende resolutie, de maximale kracht (respectieve verplaatsing) ze kunnen meten weliswaar kleiner dan de maximale kracht (respectieve verplaatsing) die de LBBS kunnen weerstaan. Daarom, buigende om test te voeren op deze LBBSs, de ingenieurs en de wetenschappers moet vertrouwen op custom-built mechanische testen apparaten 5,7,12,13. Het belangrijkste voordeel van deze custom-built apparaten is dat zij grote reeksen van krachten en verplaatsingen aankan. Echter, de bouw en de exploitatie van deze apparaten is niet goed gedocumenteerd in de literatuur.

Een protocol is beschreven voor het verrichten van drie-punt buigende proeven met behulp van een custom-built mechanische testen apparaat dat kan meten dwingt variërend van 10-5 tot 101 N en verplaatsingen variërend van 10-7 tot 10-2 m. Technische tekeningen, met inbegrip van alle dimensies van de componenten van het mechanische beproevingstoestel vindt u in het aanvullend materiaal. Het belangrijkste voordeel van dit mechanische testen apparaat is dat de kracht en de verplaatsing bereiken kunnen worden gemakkelijk aangepast aan verschillende LBBSs. Het werkingsprincipe van het apparaat is vergelijkbaar met die van een atomaire kracht Microscoop 9. In dit apparaat, een specimen wordt geplaatst in een greppel gesneden in een RVS plaat (Zie Figuur 1A-C). De spanwijdte van de trog is gemeten vanaf optische microfoto als 1278 ± 3 µm (gemiddelde ± standaardafwijking; n = 10). De randen van de loopgraaf ondersteunen het model tijdens een buigende test (Zie Figuur 1 c, en D). Dit monster stadium is gekoppeld aan een fase van drie assen vertaling en onder een aluminium wig zo geplaatst dat de wig halverwege de trog van de overspanning ligt (Zie Figuur 1C). Door het bewegen van de fase de Equation 1 richting (Zie figuur 1A, en C), het model wordt geduwd in de wig waardoor het model om te buigen.

Verwijzen we naar de wig als de belasting punt tip (LPT) en het onderdeel van het apparaat dat de wig als het punt van de belasting (LP bevat). De LP is gekoppeld aan het einde van een cantilever wier verplaatsing wordt gemeten door een fiber optic verplaatsing sensor (FODS). Straalt infrarood licht, die wordt weerspiegeld op een spiegel gelegen op de bovenkant van de LP uit de FODS (Zie Figuur 1B) en ontvangen door een optische vezel in de FODS. Een ≈5 mm vierkant stuk een gepolijste silicium wafer wordt gebruikt als de LP-spiegel en op de LP met behulp van epoxy is aangebracht. De FODS meet verplaatsingen door het vergelijken van de intensiteit van het uitgestraalde en gereflecteerd licht. De cantilever stijfheid en verplaatsing worden gebruikt voor het berekenen van de kracht, Equation 2 , ervaren door de wig als gevolg van de interactie met het model. De verplaatsing van de ' Freischwinger ' wordt ook gebruikt voor het berekenen van de verplaatsing van het specimen dwarsdoorsnede onder de wig, Equation 3 . Cantilever gebaseerde krachtsensors zijn gebruikt in een aantal micro - en macroschaal mechanische testen studies 10,11,12,13,14. Het specifieke ontwerp hier gepresenteerd is aangepast van een mechanische testen apparaat dat wordt gebruikt voor het uitvoeren van zelfklevende contact experimenten 14. Een soortgelijk ontwerp is ook gebruikt in een commercieel beschikbare micro-tribometer 15,16.

Figure 1
Figuur 1: overzicht van de op maat gemaakte mechanische beproevingstoestel. (A) A computer aided ontwerp weergave van het apparaat. De fase-onderdelen zijn gemarkeerd in het groen. De force sensing halffabrikaat (cantilever, belasting punt (LP)) wordt gemarkeerd in het rood. (B) een vergroot beeld van (A). De LP-spiegel wordt weergegeven in het blauw op de bovenkant van de LP onder de FODS en LPM is gemarkeerd. (C) het coördinatensysteem gebruikt om te beschrijven de motie van de fase van de vertaling. Door herverdeling van the fase in stap 1.9 van het protocol, de Equation 1 richting te laten samenvallen met de vector die loodrecht op het glasoppervlak van de LP-spiegel is gemaakt. (D) een schematische voorstelling van de drie-punt buigende configuratie weergegeven: de vervorming van de spicule en de gemeten verplaatsingen Equation 49 , en Equation 50 . Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Van het apparaat mogelijkheden worden gedemonstreerd door het verrichten van drie-punt buigende proeven op het skelet elementen van de mariene spons Euplectella Wijwaterkwast6,7. Deze spons het skelet is een samenstel van filamenten, genaamd botsplinters (Zie Figuur 2). De botsplinters zijn ≈50 µm dik en bestaat voornamelijk uit siliciumdioxide 6. Biosilica gebaseerde botsplinters worden aangetroffen in sponsen die behoren tot de klassen Demospongiae Homosclerophorida en Hexactinellida. Sponzen, zoals E. Wijwaterkwast, die behoren tot de klasse Hexactinellida staan ook bekend als "glas sponzen." Terwijl de botsplinters van glas sponzen zijn voornamelijk samengesteld uit siliciumdioxide, is gebleken dat de silica vaak een organische matrix samengesteld uit beide collageen 17,18 of chitine 19,20 bevat , 21. deze organische matrix speelt een belangrijke rol in silica biomineralization 18,20. Bovendien in sommige botsplinters fungeert de organische matrix ook als een sjabloon voor de biomineralization van calcium 22. Naast uitgedeeld binnen de silica, kan de organische matrix ook vormen verschillende lagen die de spicule van silica in concentrische, cilindrische lamellen 6,23 verdelen. Het is aangetoond dat deze concentrische, lamellair architectuur kan invloed hebben op de botsplinters vervorming gedrag 6,7,8,24,25,26 . Bijgevolg de botsplinters mechanische eigenschappen worden bepaald door een combinatie van hun chemie (dwz., de chemische structuur van de samengestelde silica-eiwit) en hun het platform 27. Zowel de chemische structuur en de architectuur van glas spons botsplinters zijn nog in onderzoek 24,28,29.

Allermeest naar de botsplinters in E. Wijwaterkwast zijn samen aan een stijve skelet kooi formulier gecementeerd. Aan de voet van het skelet is er echter een plukje zeer lang (≈10 cm) botsplinters bekend als het anker botsplinters (Zie Figuur 2). We beschrijven het protocol voor het verrichten van buigende proeven van drie-punt op kleine secties van het anker botsplinters.

In stap 1 van het protocol, wordt de procedure voor het monteren en uitlijnen van de componenten van het mechanische custom-built beproevingstoestel beschreven. Stap 2 en 4 van het protocol bevatten instructies voor genereren kalibratiegegevens gebruikt voor het berekenen van de krachten en verplaatsingen in de buigende test. De stappen voor te bereiden van een deel van een spicule en mount het op de steun van de test zijn beschreven in stap 3. De procedure voor het uitvoeren van de buigende test op het spicule gedeelte is beschreven in stap 5. Ten slotte de kalibratiegegevens verkregen in de stappen 2 en 4 in de sectie Vertegenwoordiger resultaten gebruikt worden samen met de buigende testgegevens die worden verkregen in stap 5 om te berekenen Equation 2 en Equation 3 .

Figure 2
Figuur 2: Procedure voor segmenteren en inspectie van E. Wijwaterkwast botsplinters. (A) het skelet van E. Wijwaterkwast. Het plukje vrijstaande anker botsplinters wordt weergegeven aan de voet van het skelet. De schaal bar is ~ 25 mm. (B) een spicule van één anker wordt gehouden in de plaats op een microscoopglaasje met behulp van een #00000 rood sable borstel en gesegmenteerd met behulp van een scheermesje. De schaal bar is ~ 12 mm. (C) een deel van een spicule E. Wijwaterkwast over de loopgraaf in het werkgebied van de steekproef geplaatst. De loopgraaf randen en loopgraaf ridge worden gemarkeerd in groenblauw en oranje, respectievelijk. De spicule wordt geduwd tegen de loopgraaf ridge om ervoor te zorgen dat de as loodrecht op de randen van de Geul staat. (D) een opname van een spicule die loopt van de controleprocedure die is beschreven in stap 3.4 van het protocol, waarin wordt beschreven hoe om te bepalen of een sectie van de spicule is beschadigd en moet worden weggegooid. (E) A opname van een spicule met vele scheuren en ontbrekende grote delen van silica lagen die de controleprocedure die is beschreven in stap 3.4 van het protocol zou mislukken. Schaal bars = 250 µm (C), 100 µm (D) en 100 µm (E). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. montage en uitlijning

  1. Kies een cantilever wier stijfheid geschikt voor het beoogde experiment is. De LP hechten aan de uitkraging met behulp van #4-40 cap binnenzeskantbouten (SHCSs) (Zie Figuur 3 A). Zorg om geen plastisch vervormt de cantilever armen terwijl het koppelen van de LP.

Figure 3
Figuur 3: Procedure voor het samenstellen van de uitkraging kracht sensor en meten zijn stijfheid. (A) de belasting punt (LP) is aangesloten op de uitkraging (C), met de lading punt tip (LPT) wees naar boven. (B) de uitkraging en LP halffabrikaat is gekoppeld aan de plaat ' Freischwinger ', aangeduid als CP. De verzonken zak van de ' Freischwinger '-plaat wordt weergegeven onder de cantilever armen. (C) de cantilever plaat is gekoppeld aan de onderkant van het frame, zodat de kant van de plaat weergegeven in (B) wordt geconfronteerd met de Equation 6 richting. De FODS micrometer wordt aangeduid als FM. (D) de haak draad en kalibratie gewichten gebruikt in stap 2 van het protocol staan opknoping van het gat in de LPT. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. een paar druppels van 2-propanol van toepassing op een lint gratis wattenstaafje en veeg het oppervlak van de LP-spiegel. Inspecteer de spiegel voor krassen en vervang de spiegel als het beschadigd is.
  2. Losjes de uitkraging hechten aan de ' Freischwinger '-plaat met behulp van #6-32 SHCSs aan de zijkant van de plaat met de verzonken zak met de LPT-wijzen uit de buurt van de plaat (Zie Figuur 3 B). Invoegen van de 1/8 " uitlijning pinnen via de cantilever en plaat, draai de schroeven, en verwijder vervolgens de uitlijning pinnen.
  3. Trekken de FODS zo veel mogelijk door te draaien aan de FODS micrometer linksom (Zie afbeelding 3 C). Losjes hechten de cantilever plaat aan het frame met behulp van #6-32 SHCSs met de LPT-wijzen in de Equation 4 richting (Zie Figuur 1). Invoegen van de 1/8 " uitlijning pinnen via de frame en cantilever plaat, draai de schroeven en vervolgens het verwijderen van de pinnen van de uitlijning (Zie afbeelding 3 C).
  4. Zet de kracht leveren en stel de spanning op 12,00 V in constante spanning modus met behulp van de instelknop. Draai op de uitgang van de spanning en bevestigen dat de huidige loting op de voeding weergegeven ' s LCD scherm is ongeveer 60-70 mA. Wacht minstens een uur voor de huidige draw te bereiken van de stationaire toestand ter vermindering van de onzekerheid van de metingen van de spanning.
  5. Open en voer het programma van de Basic_Data (Zie aanvullende Code bestanden). Draai de FODS micrometer (Zie Figuur 3 C en Figuur 4 A) rechtsom om de FODS naar de LP spiegel totdat de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek een maximale waarde bereikt.
    1. Aanpassen de winst van de FODS door te draaien aan de set aan de zijkant van de behuizing van de FODS, schroeven zodat de spanning uitgang is 5.0 V. beurt de FODS micrometer linksom te trekken van de FODS.
  6. De Microscoop illuminator inschakelen en aanpassen van de positie van de Microscoop en richten met behulp van de twee fasen van de handmatige vertaling, zodat de LPT wordt gecentreerd in het gezichtsveld. Stoppen met het Basic_Data-programma door te klikken op de ' stoppen ' knop.
  7. De motorcontroller user interfacesoftware niet openen. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op de Equation 5 -as motorcontroller om het werkgebied naar de maximale toegestane reizen in de < img alt = "Vergelijking 6" src = "/ bestanden/ftp_ Upload/56571/56571eq6.jpg"/ > richting en reeks de uitgangspositie door te klikken op de ' Home ' knop in de gebruikersinterface.
    1. Gebruik de potentiometer schuifregelaar op de Equation 7-as motorcontroller om het werkgebied naar de maximale toegestane reizen in de Equation 8 richting en reeks de uitgangspositie. Sluit de interface van de gebruikerssoftware.
  8. Stoel van het podium op de grondplaat van de etappe (Zie Figuur 4 A) zodat de toppen van de Inbouwschroefmaten op de herverdeling rust in de fase grondplaat divots plaat. Plaats een waterpas op de tafel van de isolatie en de druk in elk van de tabel aan te passen ' s benen door te draaien aan de klep arm duim schroeven zodat het oppervlak niveau is.
    1. De waterpas naar de top van de etappe herverdeling van de plaat en de micrometers zodanig aanpassen dat het is ook niveau. Opmerking de micrometer posities en de fase van de grondplaat van de fase verwijderen. Opmerking: Het protocol kan hier worden gepauzeerd.

Figure 4
Figuur 4: het mechanische beproevingstoestel zoals geassembleerd in stappen 1.9 en 3.7 van het protocol. (A) de monster fase (SS), is aangesloten op het podium van de vertaling (TS), en wordt herverdeeld met behulp van de micrometers het werkgebied herverdeling plaat (SLP), die zitten op de grondplaat van de etappe (SBP). De grondplaat fase is aan het optische breadboard van de isolatie-tabel gekoppeld. De uitkraging (C); Cantilever plaat (CP); en fiber optic verplaatsing sensor (FODS) vormen de force sensing systeem. (B) de belasting punt (LP) op de uitkraging is aangesloten en de belasting punt tip (LPT) op de spicule in het werkgebied van de steekproef wordt geplaatst. Tijdens een buigende test, is de verplaatsing van de LP gemeten met behulp van de FODS. De eerste afstand tussen de FODS en de LP-spiegel wordt gecontroleerd door de FODS micrometer (FM) in (A) weergegeven. (C) A opname van de spicule leggen over de trog in de fase van de steekproef, gepositioneerd onder de LPT. Schaal bar = 250 µm (C). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

2. meting van de stijfheid van de cantilever

  1. de Basic_Data programma en draai de FODS micrometer rechtsom totdat de uitgangsspanning ongeveer 4 V. Stop is het programma uitvoeren door te klikken op de ' stoppen ' knop.
  2. Meten van de massa van de draad haak en kalibratie gewichten met behulp van een analytische balans.
  3. Open het programma Cantilever_Calibration (Zie aanvullende Code bestanden) en geef de gewenste bestandsnaam voor de force calibration output bestand in het tekstvak in de gebruikersinterface.
  4. Het Cantilever_Calibration-programma uitvoeren en klik op ' OK ' Wanneer gevraagd op te geven van de massa van de eerste kalibratie gewicht. Wachten op de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek om te stoppen oscillerende en klik op de groene ' gestabiliseerde spanning ' knop te nemen van een meting van de spanning.
  5. Gebruik pincet te hangen van de draad haak uit het gat in de LPT zodat de haak is geconfronteerd weg van de Microscoop doelstelling (Zie Figuur 3 D). De pincet gebruiken om de trilling van de uitkraging veroorzaakt door de toevoeging van de haak vochtige.
    1. De massa van de haak Voer in gram in het dialoogvenster en klik op ' OK '. Zoals in de vorige stap, wacht de uitgangsspanning om te stoppen met oscillerende voordat u klikt op de ' spanning gestabiliseerde ' knop.
  6. Gebruik pincet te hangen van het eerste gewicht op de draad haak en herhaal het proces van het nemen van een meting van de spanning, zoals beschreven in de vorige stap. Herhaal deze stap totdat alle van de calibratie gewichten al opgehangen hebben of de uitgangsspanning minder dan 1,8 V is. Op dit punt, klik op ' annuleren ' in het dialoogvenster om af te sluiten het programma Cantilever_Calibration.
  7. Zet de FODS micrometer linksom te trekken van de FODS. Verwijder voorzichtig de haak en gewichten van de LPT.
    Opmerking: Het uitvoerbestand voor kalibratie van force is een door tabs gescheiden lijst met de kracht die door de kalibratie missen, het gemiddelde van 100 FODS output voltage lezingen en de standaardafwijking van de lezingen. De Vertegenwoordiger resultaten sectie wordt beschreven hoe dit gegevensbestand wordt verwerkt voor het meten van de stijfheid van de cantilever.

3. Specimen voorbereiding

  1. slijtage nitril handschoenen bij het verwerken van de E. Wijwaterkwast spons skeletten en opslaan van de skeletten in verzegelde containers wanneer zij niet wordt afgehandeld.
    Let op: Aangezien de botsplinters bestaan voornamelijk uit siliciumdioxide, gebroken spicule fragmenten zijn scherp en kan worden ingebed in de huid, wat leidt tot irritatie.
  2. Gebruiken een paar pincet te begrijpen van één anker spicule door haar distale einde en trek te verwijderen uit het skelet (Zie Figuur 2). Plaats de spicule op een schone microscoopglaasje.
  3. Houd de spicule tegen de dia in de buurt van het middelpunt langs de lengte met een #00000 rood sable borstel. Snijd een ≈ 4 mm sectie van de spicule door het indrukken van een scheermesje tegen de spicule aan weerszijden van het penseel loodrecht op de dia oppervlakte (Zie Figuur 2 B). Negeren van de grote spicule van de distale en proximale secties en houden de ≈ sectie van 4 mm.
  4. Inspecteren de sectie van de 4-mm spicule met een gepolariseerd licht Microscoop op 10 x vergroting (Zie Figuur 2 C-E). De spicule sectie negeren en terug naar stap 3.2 als het ontbreekt grote gebieden van kiezelzuur lagen (Zie Figuur 2). Omgaan met secties van de geïnspecteerde spicule uitsluitend met behulp van de #00000 rood sable borstel om te voorkomen dat de invoering van nieuwe schade aan hun lagen silica.
  5. Reinigt alle spicule fragmenten of andere deeltjes van het oppervlak van de etappe van de steekproef met een borstel of perslucht. Dan een paar druppels van 2-propanol van toepassing op een lint gratis wattenstaafje en veeg de monster-fase. Vermijd contact met de gebieden van het werkgebied bedekt met niet-reflecterende verf. Opmerking: De verf wordt gebruikt om het aantal spiegelende reflecties in de opnamen tijdens de buigende test
  6. De spicule sectie overbrengen in de fase van de steekproef. Positie van de sectie van de spicule in de trog met de gewenste span voor de buigende test en duw het voorzichtig de Equation 10 richting tegen de loopgraaf ridge. Zorg ervoor dat de spicule loodrecht op de randen van de loopgraaf (Zie Figuur 2 C).
  7. Seat het podium op de grondplaat van de fase, zodat de uiteinden van de spindels micrometer in de fase grondplaat divots rusten. Wijzig indien nodig de micrometers het werkgebied herverdeling van de plaat met de waarden in stap 1.9 van het protocol genoteerd.

4. Spanning-verplaatsing interpolatie bestand

  1. Open het programma Bending_Test (Zie aanvullende Code bestanden). Stel de ' stap grootte ' aan 2 µm, ' maximale waterverplaatsing ' tot 0,5 mm, ' laagspanning stop ' aan 1.5 V, en ' hoogspanning stop ' aan 4.6 V met behulp van de tekstvakken weergegeven in de gebruikersinterface.
    1. Selecteert u de gewenste mappen op het gebied van beeld en gegevens en de output bestand naam met behulp van de tekst selectievakjes in de gebruikersinterface. Stel de ' beelden opslaan ' naar de down positie in de gebruikersinterface en klik op de groene rechthoekige knop onder de woorden ' spanningsverschil ' zodat het wordt verlicht.
  2. Bending_Test programma en wacht tot de motor controller en camera interfaces om te initialiseren.
  3. Het hulplicht inschakelen en aanpassen van de helderheid zodat de LPT zichtbaar is. Draai de FODS micrometer rechtsom totdat de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek ~1.7 V. is
    1. Gebruik de potentiometer schuifregelaar op de Equation 5-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de Equation 1 richting tot het is ~ 1 cm onder de LPT- en de Equation 5-de home positie van de as door te klikken op de " Home " knop.
  4. De potentiometer schuifregelaars gebruiken op de Equation 7- en Equation 11-as motor controllers om te plaatsen de LPT boven het midden van de dunne staalplaat, gelegen in het werkgebied van het monster in de Equation 12 richting van de trog. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op de Equation 5-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de Equation 1 richting tot het werkgebied is binnen de Microscoop ' s gezichtsveld.
  5. Gebruikt u de schuifregelaar van de potentiometer op de Equation 5-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de Equation 1 richting, terwijl kijken naar de output voltage grafiek in de gebruikersinterface. Bepalen van het globale positie waartegen de LPT contact op met de fase ' s oppervlak door op zoek naar een verandering in spanning met verdere beweging van het werkgebied. Intrekken van de fase ongeveer 10 µm.
  6. Klik op de knop met het label " beginnen Test ". Wanneer ertoe aangezet, ga waarden van 0.003 V en 0,001 mm voor ' aanslaggevoeligheid ' en ' touch uit stap-grootte ', respectievelijk. Wachten op de test om te voltooien.
    Opmerking: Na dit punt Verwijder niet de fase uit de grondplaat fase totdat de buigende test is voltooid met het oog op de nauwkeurige verplaatsing metingen. Het uitvoerbestand van spanning-verplaatsing interpolatie is een door tabs gescheiden lijst van het gemiddelde van 100 FODS output voltage lezingen en de standaardafwijking van die lezingen samen met de Equation 5- de positie van de fase van het as op elke etappe verplaatsing increment. De Resultaten van de vertegenwoordiger sectie wordt beschreven hoe dit gegevensbestand wordt gebruikt voor het converteren van de gemeten FODS uitgangsspanning naar LP verplaatsingen.

5. Buigen Test

  1. Open en run de Basic_Data program en de FODS micrometer linksom draaien totdat de uitgangsspanning weergegeven in de user interface grafiek is ongeveer 3 V. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op het < img ALT = "Vergelijking 7" src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -as motorcontroller positie de LPT tussen de randen van de loopgraaf boven de spicule (Zie Figuur 4 C).
    1. Gebruik de potentiometer schuifregelaar op de Equation 5-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de Equation 1 richting tot de LPT lager is dan de oppervlaktelaag van de loopgraaf ridge (Zie Figuur 5 A). Tot slot gebruikt u de schuifregelaar van de potentiometer op de Equation 11-as motorcontroller te brengen de voorzijde van de loopgraaf ridge in beeld, zodat de volledige breedte van de LP tussen de randen van is de loopgraaf ridge. Stoppen met het Basic_Data-programma door te klikken op de ' stoppen ' knop.
  2. Open en run het programma Center_LoadPoint (Zie aanvullende codebestand). Gebruik de Equation 7-as motorcontroller te verhuizen van het werkgebied totdat de LPT bijna in contact met de juiste loopgraaf rand is. Klik op de " rand vinden " knop.
  3. Wanneer gevraagd, gebruiken de Equation 7-as motorcontroller te verhuizen van het werkgebied totdat de LPT bijna in contact met de trog van de linker rand is. Klik op de " rand vinden " knop. Wacht tot het programma te plaatsen van de LPT-mid manier over de loopgraaf span (Zie Figuur 5 B).
    Opmerking: Na dit punt is het belangrijk om niet aan te passen de Equation 7-as motorcontroller als dit zal resulteren in een afwijking van de LPT.
  4. Open het programma Bending_Test. De stap-grootte ingesteld op 2 µm, maximale waterverplaatsing tot 0,5 mm, laagspanning stop naar 1.5 V en hoogspanning stop naar 4.5 V met behulp van de tekstvakken in de gebruikersinterface.
    1. Selecteert u de gewenste mappen op het gebied van beeld en gegevens en de output bestand naam met behulp van de tekst selectievakjes in de gebruikersinterface. Stel de ' beelden opslaan ' schakelen in de gebruikersinterface naar de up positie en klik op de groene rechthoekige knop onder woorden ' spanningsverschil ' zodat het niet is verlicht.
  5. Bending_Test programma en wacht tot de motor controller en camera interfaces om te initialiseren.
  6. De fase verplaatsen het Equation 1 richting met behulp van de schuifregelaar van de potentiometer op de motorcontroller totdat de spicule binnen de Microscoop ' s gezichtsveld. Gebruik de schuifregelaar van de potentiometer op de Equation 11 -as motorcontroller te verhuizen van het werkgebied totdat de spicule onder de LPT is.
    1. De Microscoop focus knoppen zodanig aanpassen dat de spicule in focus in de user is interface (Zie Figuur 4 C). Draai de FODS micrometer linksom totdat de uitgangsspanning ongeveer 1,8 V. is
  7. Gebruikt u de schuifregelaar van de potentiometer op de z-as motorcontroller te verplaatsen van het werkgebied de Equation 1 richting tijdens het kijken naar de output voltage grafiek in de gebruikersinterface. De benaderende positie waartegen de LPT contact op met de spicule door op zoek naar een verandering in spanning met verdere beweging van de etappe bepalen. Intrekken van de fase ongeveer 50 µm.
  8. Klik " beginnen testen " en wacht totdat de buigende test is voltooid en het werkgebied keert terug naar de Equation 5-as uitgangspositie.
    Let op: De fase zal verplaatsen in stappen van 2 µm (zoals wordt voorgeschreven in stap 5.4 van het protocol) in het Equation 1 richting, buigend de spicule (Zie Figuur 5 C) totdat een van verschillende stoppen voorwaarden is voldaan. De stoppen-omstandigheden zijn: een) de maximale fase verplaatsing van 0.5 mm is bereikt; b) de spicule pauzes en het programma detecteert een grote daling in de uitgangsspanning van de FODS; of c) de hoogspanning van 4.5 V is bereikt. Voor het stoppen van voorwaarde (a), zal de gebruiker worden gevraagd als ze willen zou beëindigen van de test of overschrijven de vorige waarde. Wanneer ' overschrijven ' is geselecteerd, zal de gebruiker de mogelijkheid om de richting van de etappe verplaatsing stap omkeren om voort te zetten met het verzamelen van gegevens als de spicule verwijderd wordt of ophogen van de limiet van de verplaatsing stadium hebben. De fase verplaatsing increment richting kan ook worden veranderd door te klikken op de " Reverse laden " knop op elk moment tijdens de test. Het buigmoment test-uitvoerbestand heeft dezelfde structuur als de spanning-verplaatsing interpolatie output bestand gegenereerd in stap 4.6 van het protocol. Dat wil zeggen, het is een door tabs gescheiden lijst van het gemiddelde van 100 FODS output voltage lezingen en de standaarddeviatie van die lezingen samen met de Equation 5-de positie van de fase van de as in elke fase de toename van de verplaatsing. De Vertegenwoordiger resultaten beschreven hoe dit gegevensbestand samen met het bestand van de interpolatie spanning-verplaatsing wordt gebruikt voor het berekenen van de ' Freischwinger ' verplaatsingen en fase verplaatsingen tijdens de buigende test. Vervolgens de cantilever stijfheid wordt gebruikt voor het berekenen van de kracht die door de LPT op de spicule.
  9. Nadat de test is voltooid, draai de FODS micrometer linksom totdat de FODS is ten minste 5 mm van de LPT-spiegel. Vervolgens Verwijder voorzichtig de fase van de grondplaat fase.

Figure 5
Figuur 5: Procedure voor het uitlijnen van de LPT met de trog ' s medio span en uitvoeren van een buigende test (A) de LPT is geplaatst onder de bovenkant van de nok van de Geul aan het eind van stap 5.1 van het protocol, maar het is nog niet geplaatst op mid span. (B) de positie van de LPT na het centreren van de procedure beschreven in stappen 5.2 en 5.3 van het protocol zijn voltooid. (C) A opname van een spicule genomen tijdens de buigende test. De verplaatsing van de dwarsdoorsnede van de spicule onder de LPT-, Equation 14, schematisch is gemarkeerd. Schaal bars = 250 µm (A-C). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De meest elementaire uitgangen van enige mechanische test zijn de omvang van de kracht toegepast op het model en de verplaatsing op de locatie waar de kracht wordt uitgeoefend. In het geval van een drie-punt buigende test, het doel is het verkrijgen van de omvang van de kracht die door de LPT-, Equation 13 , en de verplaatsing van het specimen dwarsdoorsnede onder de LPT-in de Equation 4 richting, Equation 14 . Echter voor de mechanische beproevingstoestel hier beschreven, verschillende post-processing stappen moeten worden uitgevoerd om te transformeren de uitvoergegevens stappen 2, 4 en 5 van het protocol in dit gewenst verkregen Equation 13 - Equation 14 gegevens. De gegevensbestanden die zijn verkregen uit de drie-punt buigende test zijn: 1) de spanning-verplaatsing interpolatie bestand; 2) de kracht kalibratie bestand; en 3) de buigende testbestand. Een overzicht van de hoeveelheden afgemeten en afgeleide wordt weergegeven in tabel 1.

Symbool Definitie
Nh Aantal waarden van de spanningen in het uitvoerbestand van spanning-verplaatsing interpolatie
Vh Gemeten voltage waarden in stap 4 van het Protocol
ΣVh Standaarddeviatie van Vh
zsh Gemeten fase positie in stap 4 van het Protocol
Nc Aantal van de metingen van de kracht in het uitvoerbestand voor kalibratie van kracht
Fc Kracht die door kalibratie gewichten in stap 2 van het Protocol
Vc Gemeten voltage waarden in stap 2 van het Protocol
ΣVc Standaarddeviatie van V-c
zlc Positie van de LP in stap 2 van het Protocol berekend met behulp van V-h en Vc
wlc Verplaatsing van de LP in stap 2 van het Protocol berekend op basis van z-lc
Nt Aantal van de metingen van de kracht en de verplaatsing in het buigmoment test-uitvoerbestand
zst Positie van de etappe in stap 5 van het Protocol
wst Verplaatsing van het werkgebied in stap 5 van het Protocol
Vt Gemeten voltage waarden in stap 5 van het Protocol
ΣVt Standaarddeviatie van Vt
zlt Positie van de LP in stap 5 van het Protocol berekend met behulp van V-h en Vt
wlt Verplaatsing van de LP in stap 5 van het Protocol berekend op basis van z-lt
F Kracht die door de LP in stap 5 van het Protocol berekend op basis van z-lt
w0 Verplaatsing van de spicule de dwarsdoorsnede onder de LP in stap 5 van het Protocol

Tabel 1: Overzicht van de symbolen die worden gebruikt voor hoeveelheden gemeten in stap 2, 4 en 5 van het Protocol en berekend in het gedeelte van de resultaten van de vertegenwoordiger.

Het doel van de spanning-verplaatsing interpolatie bestand is gemeten FODS uitgangsspanning op LPT-verplaatsingen. Dit wordt gedaan door het rigide koppeling de LPT naar het werkgebied van de vertaling dus dat als de fase wordt verplaatst de Equation 1 richting, de verandering in de Equation 5 -de positie van de fase van de as is gelijk aan de LPT-verplaatsing (stap 4 van het protocol). De voltage-verplaatsing interpolatie-bestand bevat een verzameling van punten Equation 15 , waarbij Equation 16 is de gemiddelde FODS uitgangsspanning overgenomen van 100 metingen op een sampling rate van 1000 Hz, Equation 17 is de bijbehorende standaarddeviatie van de 100 spanning metingen, Equation 18 is de Equation 5 -de positie van de fase van de as en Equation 19 is het aantal fase verplaatsing stappen (Zie Figuur 6 (B)).

De kracht van kalibratie dit bestand kan de stijfheid van de ' Freischwinger ' te meten zodat LP verplaatsingen kunnen worden gebruikt voor het berekenen van de grootte van de kracht die door de LP. De kracht kalibratie-bestand bevat een verzameling van punten Equation 20 , waarbij Equation 21 is de gemiddelde FODS uitgangsspanning overgenomen van 100 metingen op een sampling rate van 1000 Hz, Equation 22 is de bijbehorende standaarddeviatie van de 100 metingen van spanning, Equation 23 is de kracht die wordt uitgeoefend door de gewichten op de LPT-, en Equation 24 is het aantal gebruikte gewichten van de kalibratie. Merk op dat er zijn twee meer punten dan er zijn kalibratie gewichten, omdat het eerste punt wordt gemeten voor nul toegepast kracht en het tweede punt voor de kracht die wordt uitgeoefend door de draad haak alleen.

Tot slot het buigmoment testbestand wordt gebruikt voor het berekenen van Equation 14 en Equation 13 . Het bevat een verzameling van punten Equation 25 , waarbij Equation 26 is de gemiddelde FODS uitgangsspanning overgenomen van 100 metingen op een sampling rate van 1000 Hz, Equation 27 de bijbehorende standaardafwijking van de metingen, 100 spanning, Equation 28 is de Equation 5 -de positie van de fase van de as en Equation 29 het nummer isr van fase verplaatsing stappen tijdens de buigende test.

Eerste, de Equation 5 component van de de LPT standpunt tijdens de kalibratie van de kracht, Equation 30 , is gevonden met behulp van de set Equation 31 kaart Equation 21 waarden te Equation 32 waarden via lineaire interpolatie. De Equation 5 component van de LPT-verplaatsing wordt gegeven door Equation 33 , Equation 34 . Aangezien de LPT-verplaatsingen klein zijn in vergelijking met de lengte van de ' Freischwinger ', de relatie tussen Equation 23 en Equation 35 lijkt te zijn lineaire. Daarom de cantilever stijfheid kan worden berekend door het aanbrengen van de lijn naar de Equation 36 gegevens en informatica van de helling, Equation 37 . Een representatieve verzameling van punten Equation 36 en de bijbehorende ingerichte regel staan in Figuur 6A. De stijfheid van de uitkraging gebruikt in de buigende experimenten was 90.6 ± 0,3 N/m.

Figure 6
Figuur 6: resultaten van de vertegenwoordiger van de drie-punt buigende test (A) kracht en de verplaatsing (grijs) verkregen gegevens in stap 2 van het protocol samen met de lineaire pasvorm (blauw) gebruikt voor het schatten van de stijfheid van de uitkraging. (B) representatief voorbeeld van de gegevens in het uitvoerbestand van spanning-verplaatsing interpolatie. Voor een gemeten FODS uitgangsspanning, Equation 51 , de positie van de etappe, Equation 52 , kan worden verkregen via lineaire interpolatie. Dit wordt gebruikt voor het meten van de ' Freischwinger '-verplaatsing, Equation 50 , tijdens het buigen test. (C) representatieve kracht-verplaatsing reacties van 3 verschillende E. Wijwaterkwast anker botsplinters van succesvolle drie-punt buigende tests. (D) een kracht-verplaatsing reactie van een mislukte buigende drie-punt-test. De niet-lineariteit van de curve suggereert dat de spicule niet naar behoren was gezeten op het podium van het monster en gleed of geheroriënteerd na het eerste contact was gemaakt met de LPT. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Volgende, de Equation 5 component van de de LPT standpunt tijdens de buigende test, Equation 38 , is gevonden met behulp van de set Equation 31 kaart Equation 26 waarden te Equation 39 waarden via lineaire interpolatie. De Equation 5 component van de verplaatsing van de LPT-tijdens de buigende test wordt gegeven door Equation 40 , Equation 41 . De Equation 5 component van de verplaatsing van het podium tijdens de buigende test wordt gegeven door Equation 42 .

Aangezien de LPT- en de spicule in contact tijdens het geheel van de buigende test, de verplaatsing van de spicule, Equation 43 wordt gegeven door

Equation 44(1)

en de kracht die door de LPT-, Equation 45 , is

Equation 46(2)

Het is belangrijk op te merken dat sinds de set Equation 31 wordt gebruikt voor het verkrijgen van beide Equation 32 en Equation 39 waarden via interpolatie, de waarden van de Equation 47 en Equation 26 moet binnen het bereik van Equation 16 . Dit wordt gewaarborgd door de vaststelling van passende waarden voor de startende spanning en hoogspanning stop waarden in stap 2, 4 en 5 van het protocol.

Figuur 6 C toont kracht-verplaatsing curven voor drie representatieve botsplinters. Voor slanke, lineair elastische structuren die worden geladen in het drie-punt buigen, Equation 13 naar verwachting toenemen lineair met Equation 14 voor kleine waarden van Equation 14 30. Niet-lineariteit van de Equation 13 - Equation 14 curve voor kleine Equation 14 (b.v., Zie Figuur 6D) meestal suggereert dat de spicule niet correct gaan op het podium van de steekproef zitten kan. In dit geval moet de test worden gestopt en de spicule verplaatst in het werkgebied van de steekproef (stap 3.6 van het protocol).

Met het oog op een voldoende grote nauwkeurigheid van de Equation 13 en Equation 14 metingen, de verandering van de totale spanning in de loop van de buigende test, Equation 48 , moet ten minste 1 V. Als de totale spanning verandering minder dan 1 V is, moet een meer compatibele cantilever setekenveld.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Verschillende stappen van het protocol zijn bijzonder belangrijk om ervoor te zorgen dat krachten en verplaatsingen nauwkeurig worden gemeten. Terwijl sommige van deze kritische stappen universeel voor alle drie-punt buigende tests zijn, zijn anderen uniek voor deze mechanische beproevingstoestel.

In stap 1.2 van het protocol de LP spiegel wordt gereinigd en geïnspecteerd op krassen en in stap 1.6 van het protocol wordt de winst van de FODS is ingesteld. Het is belangrijk voor de winst en de LP spiegel reflectie constant voor stap 2, 4en 5 van het protocol. Om deze reden moeten de twee kalibratie stappen (stap 2 en 4 van het protocol) worden uitgevoerd vóór de buigende test (stap 5 van het protocol).

In stappen 1.9 en 3.7 van het protocol is het podium herverdeeld ten aanzien van het oppervlak van de isolatie-tabel. Deze stappen zorgen ervoor dat Equation 2 is de component van de kracht loodrecht op de lengteas van de spicule. Het frame van het mechanische beproevingstoestel is vervaardigd, zodat de cantilever LP spiegel en de oppervlakte van de FODS allemaal parallel aan het oppervlak van de isolatie-tabel zijn. Dit betekent dat de kracht-sensor de component van de kracht en de verplaatsing loodrecht op het glasoppervlak van de tabel isolatie meet. Als het boven in het werkgebied uitgelijnd met een hoek is Equation 53 met betrekking tot het oppervlak van de isolatie-tabel, vervolgens gemeten moet de verplaatsing van de LPT zal Equation 55 , waarbij Equation 54 is de werkelijke verplaatsing in de richting loodrecht op de spicule de lengteas (Zie Figuur 7). Aangezien Equation 56 , dit resulteert in een voorspelling van de toegepaste krachten en de onder de voorspelling van spicule verplaatsingen per vergelijkingen (1) en (2).

Figure 7
Figuur 7: Effect van etappe herverdeling op verplaatsing metingen. (A) de fase wordt gekanteld in een hoek, Equation 53 , met betrekking tot het oppervlak van de isolatie-tabel en de onderkant van de uitkraging. (B) de verplaatsing van de LP in verticale richting, Equation 50 (Zie Figuur 1 (D)), wordt gemeten door de FODS. De component van de LP verplaatsing in de richting loodrecht op de as van de spicule is Equation 54 . Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In stappen 5.1-5.3 van het protocol dat de LPT is gepositioneerd mid manier over de trog van de overspanning. De uitlijning van de LPT met betrekking tot de mid span zal resulteren in het model opgenomen stijver dan het werkelijk 31,-32 is. Dat wil zeggen, zullen de verplaatsing van de spicule kleiner is dan die welke zouden worden gemeten indien dezelfde kracht op de mid-spanwijdte van toepassing waren. Dit soort afwijking kan worden vermeden door het niet verwijderen van de fase van de grondplaat fase of aanpassing van de x-positie van de fase van de as na de centreren procedure voltooid (instappen 5.1-5.3 van het protocol is).

Een beperking van deze methode is dat ter beperking van de onzekerheid van de relatieve metingen van de kracht en de verplaatsing metingen, de cantilever stijfheid moet worden geselecteerd zodat de uitgangsspanning FODS beslaan het volledige scala van 1,8 tot 4,5 V tijdens het buigen test. Echter deze spanningsbereik overeenkomt met een verplaatsing van de ' Freischwinger ' van ongeveer ≈250 µm, die is ongeveer hetzelfde als de verplaatsing van de spicule, net voordat het mislukt (Zie Figuur 6 (C)). Dit betekent dat de uitkraging en de spicule soortgelijke stiffnesses hebben. Hoewel dit niet problematisch voor het meten van de elastische respons en sterkte eigenschappen van de botsplinters, belet het de nauwkeurige meting van de botsplinters taaiheid eigenschappen. Dit is omdat met het oog op een nauwkeurige meting van taaiheid eigenschappen, een scheur in de spicule in een gecontroleerde manier 33moet doorgeven. Dit is meestal alleen mogelijk als het beproevingstoestel veel stijver dan de model 33 is. Teneinde de stijfheid van het beproevingstoestel, kan een gevoeliger verplaatsing sensor worden gebruikt in plaats van de FODS.

Terwijl het buigmoment testprotocol is aangetoond op E. Wijwaterkwast botsplinters, kan de mechanische testen apparaat worden gebruikt voor het uitvoeren van drie-punt buigende proeven op andere LBBSs en synthetische materialen ook. Deze mechanische beproevingstoestel is meest geschikt voor exemplaren waarvan transversale diameters variëren van 0,01 tot 1 mm en voor loopgraaf omspant variërend van 1 tot 10 mm. Voor grotere diameters, moet de steekproef fase worden herzien zodat het monster niet kan over het podium rollen. Dit is niet een probleem voor kleinere vezels, zoals de botsplinters, omdat de ruwheid van de etappe oppervlak genoeg is om te voorkomen dat het specimen rollen. De stralen van de loopgraaf randen en LPT-moeten ook groter om te voorkomen dat de invoering van lokale schade op de punten waar het specimen ondersteunde 31,32gemaakt. Anderzijds het podium herverdeling plaat moet worden vastgemaakt aan de grondplaat stadium (Zie Figuur 4A) met behulp van ¼"-20 cap binnenzeskantbouten na stap 3.7 van het protocol ter voorkoming van fase kantelen krachten overschrijdt ≈1 N.

Voor nauwkeurige kracht en de verplaatsing meting, moet van de uitkraging stijfheid altijd worden veel kleiner dan de stijfheid van het frame (≈107 van N/m). Deze eis beperkt de maximale kracht die door dit apparaat kan worden toegepast op ≈25 N. Daarom is het belangrijk voor het schatten van de maximale kracht die een specimen kan weerstaan alvorens een buigende test om te bepalen of dit apparaat kan worden gebruikt voor het uitvoeren van de test uit te voeren.

Dit werk biedt het protocol, de technische tekeningen (Zie aanvullende bestand 1) en software (Zie aanvullende Code bestanden) voor het weergeven en gebruiken van onze mechanische beproevingstoestel. Dit zal hopelijk een platform bieden voor het nauwkeurig meten van de buigsterkte gedrag van veel verschillende LBBSs. Deze metingen zijn een voorwaarde voor de ontwikkeling van een dieper begrip van de relatie tussen een LBBS van het platform en de mechanische eigenschappen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de National Science Foundation [mechanica van materialen en structuren Program, verlenen nummer 1562656]; en de American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

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

Bioengineering kwestie 128 mechanische karakterisatie mechanische eigenschappen drie-punt-buigen test met cantilever kracht sensor fiber optic verplaatsing sensor structurele biologisch materiaal biosilica vezel Euplectella Wijwaterkwast spicule
Een Millimeter schaal buigsterkte testsysteem voor het meten van de mechanische eigenschappen van mariene spons botsplinters
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