Die Autoren würdigen die Unterstützung und Finanzierung durch das GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Wir danken Professor L. Patricia Hernandez vom Department of Biological Sciences der George Washington University für die Inspiration der Untersuchung und die laufende Zusammenarbeit, die Bereitstellung biologischer Expertise zur Physiologie des Silberkarpfens und die Bereitstellung der Schleimproben. Wir danken den Studenten, Herrn David Palumbo, Frau Carly Cohen, Herrn Isaac Finberg, Herrn Dominick Petrosino, Herrn Alexis Renderos, Frau Priscilla Varghese, Herrn Carter Tegen und Herrn Raghav Pajjur für die Hilfe im Labor und Herrn Thomas Evans und Herrn James Thomas von TA Instruments, New Castle, DE für die Unterstützung bei der Ausbildung und Wartung des Rheometers. Die Bilder für die Abbildungen 5A,C wurden während einer Sezierung aufgenommen, die von Professor L. Patricia Hernandez vom Department of Biological Sciences der George Washington University durchgeführt wurde.

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Keine Interessenkonflikte deklariert.

Eines der Hauptziele bei der Entwicklung dieses Protokolls ist es, festzustellen, dass es sich gut für die rheologische Charakterisierung von GR-Schleim eignet, wenn sehr kleine Probenvolumina verfügbar sind. Wir erkennen an, dass mehr Proben aus einer Schule von Silberkarpfen benötigt werden, um die rheologischen Eigenschaften des GR-Schleims vollständig zu charakterisieren, und die hier vorgestellten Daten stellen keine Verallgemeinerung über die gesamte Silberkarpfenpopulation dar. Unsere Technik ist wegen ihrer ...

Der Silberkarpfen( Hypophthalmichthys molitrix) ist ein planktivorer Filterfresser und eine invasive Art, die mehrere natürliche Wasserstraßen in den Vereinigten Staaten infiltriert hat. Diese Art wurde ursprünglich im oberen Mississippi River Becken eingeführt, um Algenblüten1,2,3zu kontrollieren. Der Silberkarpfen ist ein äußerst effizienter Feeder. Typischerweise reichen die Partikelgrößen der Verbrauchsmaterialien von 4 bis 20 μm bis zu größerem Zooplankton, das etwa 80 μm3,4,5beträgt. Diese Art hat andere einheimische Fische ihnen abverdlichtet und kann durch die Begrenzung der verfügbaren Ressourcen enorme Schäden an einheimischen Wasserstraßen verursachen1,2,6. So stellen filterfütterende Fische wie der Silberkarpfen und der Großkopfkarpfen eine große Bedrohung für die Großen Seendar 1,2,6,7,8.
Filterfütternde Fische besitzen spezielle Organe, die als Kiemenrechen (GRs) bezeichnet werden, wobei sich eine dünne Schleimschicht auf ihrer Oberfläche befindet. Diese Organe verbessern die Effizienz der Filtration und Aggregation kleiner Partikel aus der ankommenden Flüssigkeit. Ziel des hier vorgestellten Protokolls ist es, die nicht-newtonsche, scherverdünnende Materialeigenschaft und streckgrenze des GR-Schleims zu charakterisieren, der von der innenfläche der Kiemenrechen im Silberkarpfen gewonnen wird. Der mit einem Rotationsrheometer ermittelte Wert der Streckgrenze des GR-Schleims ist in dieser Studie von Interesse. Die gemessene Streckgrenze, auch "scheinbare Streckgrenze" genannt, hängt von den Prüfverfahren wie Steady Shear Rate- oder Dynamic Oscillatory Strain-Typ9,10ab. Die scherverdünnende " Streckgrenzerflüssigkeit" durchläuft einen Übergang von festem zu flüssigkeitsähnlichem Verhalten bei einer kritischen angelegten Spannung9,11. Die scheinbare Streckgrenze ist die minimale Scherspannung, die erforderlich ist, um eine Strömung einzuleiten, oder die, bei der eine irreversible plastische Verformung zuerst beobachtet wird, wenn der Schleim von einem gelartigen Material zu einem flüssigkeitsähnlichen Material übergeht. Dieses Verhalten kann in strukturierten viskoelastischen Materialien beobachtet werden. Der Übergang vom gelartigen zum flüssigkeitsähnlichen Verhalten des GR-Schleims beinhaltet zwei Funktionen, d.h. eine Kleberolle zum Sammeln von Lebensmittelpartikeln und eine Transportfahrzeugrolle zur Unterstützung des Partikelabgabe- und Filtrationsprozesses. Die erweiterte Funktion des Schleims umfasst die Schaffung von Diffusionsbarrieren bei krankheitsresistenz und Atmung, die kontrollierte Freisetzung von Ernährungsfaktoren, toxischen Komponenten und Ausscheidungen, die Schaffung von Stoffwechselwegen für die Fütterung und Verschachtelung, die Unterstützung beim Schutz von Raubtieren und die Erzeugung von Grenzschichtmodifikationen, die die Fortbewegung und die Antriebseffizienz verbessern12,13,14.
Im Gegensatz zu einfachen Flüssigkeiten besitzen komplexe Flüssigkeiten wie der Schleim Eigenschaften, die mit den Strömungsbedingungen variieren und zusätzliche Messparameter erfordern, um ihr physikalisches Verhalten im Großmaßstab zu definieren. Zur Überwachung der Viskosität und Streckgrenze von GR-Schleim werden rheologische Messungen mit einem Rotationsrheometer durchgeführt. Das Rotationsrheometer wendet eine stetige oder oszillierende Scherspannung oder -dehnung mittels einer rotierenden Scheibe in Kontakt mit der Flüssigkeitsprobe an und misst deren Reaktion. Der Grund für die Verwendung dieses Instruments und dieser Technik ist, dass das Rheometer eine Reihe von Messungen liefern kann, um die Materialeigenschaften des GR-Schleims des Silberkarpfens zu beschreiben, die nicht allein durch viskose definiert werden können.
Der Schleim ist ein viskoelastisches Material und seine mechanische Reaktion auf eine auferlegte Verformung liegt zwischen der eines reinen Feststoffs (geregelt durch das Hookesche Elastizitätsgesetz) und der einer reinen Flüssigkeit (geregelt durch das Newtonsche Viskositätsgesetz)15,16. Das komplexe makromolekulare Netzwerk, das im Schleim enthalten ist, kann sich als Reaktion auf äußere Kräfte oder Verformungen dehnen und neu ausrichten. Ein Rotationsrheometer besteht aus einer Kegelgeometrie und einer Peltierplatte, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt (siehe Tabelle 1 für Die Spezifikationen der Instrumentierung). Ziel dieser Studie war es, ein Protokoll zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften des GR-Schleims zu entwickeln. Ein Vorteil des Rotationsrheometers gegenüber einem Viskosimeter ist seine Fähigkeit, dynamische Messungen mit kleinen Probenvolumina durchzuführen. Das GR-Schleimprobenvolumen in dieser Studie betrug etwa 1,4 ml. Das Viskosimeter hingegen ist auf konstante Scherraten beschränkt und erfordert große Probenvolumina.
Es wird erwartet, dass die rheologischen Eigenschaften des Schleims innerhalb der Anatomie des Silberkarpfens stark variieren. Zum Beispiel können sich die Eigenschaften des Schleims, der sich auf den GR-Oberflächen befindet, vom Epibranchialorgan unterscheiden. Um die potenzielle Variabilität der Schleimeigenschaften in verschiedenen Regionen der Fische zu berücksichtigen, wurde die erworbene GR-Schleimprobe verdünnt und Lösungen mit drei Konzentrationen wurden mit dem Rotationsrheometer erstellt und getestet. Die nach Der Durchführung des Protokolls gemeldeten Daten und Ergebnisse zur Schleimrheologie zeigten die Wirksamkeit der Messtechnik. Die in diesem Artikel vorgestellten illustrativen Daten sind nicht dazu gedacht, über die gesamte Silberkarpfenpopulation verallgemeinert zu werden. Das hier vorgestellte Protokoll kann erweitert werden, um die Schleimrheologie über größere Stichprobensätze hinweg zu untersuchen, um andere Hypothesen zu testen.
Ziel dieser Studie ist es, die Variation der rheologischen Eigenschaften der GR-Schleimrheologie mit drei verschiedenen Schleimkonzentrationen (400 mg/ml, 200 mg/ml und 100 mg/ml) nachzuweisen. Die Konzentration von 400 mg/ml stellt die rohe Schleimprobe dar, die aus den Fisch-GRs gewonnen wurde. Deionisiertes Wasser (DI) wurde verwendet, um die rohe Schleimprobe in Konzentrationen von 200 mg/ml und 100 mg/ml zu verdünnen. Die Verdünnung der Schleimproben ermöglichte die Beurteilung des Scherausdünnungsgrades und der scheinbaren Streckgrenze in Abhängigkeit von der Konzentration und die Bestimmung der Konzentration, bei der der GR-Schleim in ein nicht-newtonsches Verhalten übergeht. Ein Shaker wurde verwendet, um große Schleimklumpen in den Proben abzubauen, um Fehler in den rheologischen Daten aufgrund von Inhomogenität zu mildern.
Bei den meisten Wirbeltieren, einschließlich Fischen, sind die vorherrschenden schleimbildenden Makromoleküle Glykoproteine (Muzinine), die dazu neigen, durch Verwicklungen oder chemische Vernetzung im Wasser aufzuquellen und ein gelartiges Material zu erzeugen12,13,17,18,19,20. Die hochmolekularen, gelbildenden Makromoleküle und der hohe Wassergehalt spiegeln die Rutschigkeit im Schleimwider 13. Ein hohes Maß an intermakromolekularen Wechselwirkungen führt zur Gelbildung, während geringere intermakromolekulare Wechselwirkungen oder gebrochene Bindungen zu hochviskosen Flüssigkeiten führen21.
Die Prozesse der Lebensmittelpartikelfiltration in filterfütternden Fischen werden durch GR-schleimbezogene Eigenschaften wie Kohäsion und Viskosität unterstützt, die ihr Adhäsionspotenzial und ihre Haftung bestimmen22. Die Stärke der schleimbasierten Adhäsion hängt von spezifischen intermolekularen, elektrostatischen oder hydrophoben Wechselwirkungen ab23. Sanderson et al.24 führten eine Suspensionsfütterungsstudie an Schwarzfischen durch, in der sie die Beweise für schleimbasierte Adhäsion fanden. Sie stellten fest, dass auf die Adhäsion von schwebenden Lebensmittelpartikeln mit einer Schleimhautoberfläche der Transport von aggregierten Partikelklumpen folgt, die durch gerichteten Wasserfluss, der darauf einwirkt, mit Schleim verbunden sind24. Der Schleim, der Scherdehnungsraten ausgesetzt ist, die durch den Wasserfluss erzeugt werden, erleichtert die Abgabe von Nahrungspartikeln an die Verdauungsorgane. Endoskopische Techniken wurden verwendet, um gefilterte Partikel zu beobachten24.
Literatur über den Bereich der Scherraten und praktischen Grenzen bei der rheologischen Untersuchung von GR-Schleim ist knapp. Daher wurde eine Orientierung aus rheologischen Studien zu Magen-, Nasen-, Zervix- und Lungenschleim, Lachshautschleim, Hagfish-Schleim und Knochengelenk-Oberflächenschmiermittel gesucht, wobei die rheologische Charakterisierung und nicht-newtonsche Attribute untersucht wurden11,12,25,26,27,28,29,30,31. In jüngerer Zeit wurde die Wirkung von Fischhautschleim auf die Fortbewegung und die Antriebseffizienz mittels Viskosimetrie mit konstanter Scherrate untersucht. Untersuchungen zur Hautschleimrheologie (ohne Verdünnung oder Homogenisierung) in Bezug auf Brasse, Wolfsbarsch und magere Zeigten nicht-newtonsches Verhalten bei typischerweise niedrigen Scherraten14.  In einer anderen verwandten Studie wurde festgestellt, dass die rohen Hautschleimproben von dorsalen und ventralen Seiten der senegalesischen Seezunge ein nicht-newtonsches Verhalten zeigen, was auf eine höhere Viskosität des ventralen Schleims bei allen Scherraten hinweist, die als32betrachtet werden. Andere rheologische Protokolle zur Hydrogelgerüstentwicklung und für hochkonzentrierte Suspensionen unter Verwendung eines Viskosimeters mit konstanter Scherrate wurden ebenfalls in der Literatur33,34berichtet.
In dieser Studie wurden die GR-Schleimeigenschaften mit einem dehnungskontrollierten Rotationsrheometer untersucht, das in rheologischen Experimenten an komplexen biologischen Flüssigkeiten weit verbreitet ist25. Bei Newtonschen Flüssigkeiten bleibt die scheinbare Viskosität konstant, ist scherratenunabhängig und die Scherspannungen variieren linear mit den Scherdehnungsraten (Abbildung 3A, B). Für nicht-newtonsche Flüssigkeiten (z. B. Scherverdünnungsflüssigkeiten) ist die Viskosität scherratenabhängig oder verformungsverlaufsabhängig (Abbildung 3A, B). Der Verlustmodul (G") stellt das Ausmaß dar, in dem das Material der Strömungsneigung widersteht und ist repräsentativ für die Flüssigkeitsviskosität (Abbildung 4). Der Speichermodul (G') stellt die Tendenz des Materials dar, nach spannungsinduzierter Verformung seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen und entspricht der Elastizität (Abbildung 4). Der Phasenwinkel (δ) oder Verlusttangentenwert wird aus der inversen Tangente von G"/G' berechnet. Es stellt das Gleichgewicht zwischen Energieverlust und -speicherung dar und ist auch ein gebräuchlicher Parameter zur Charakterisierung viskoelastischer Materialien (δ = 0° für einen Hookean-Feststoff; δ = 90° für eine viskose Flüssigkeit; δ < 45° für einen viskoelastischen Feststoff und δ > 45° für eine viskoelastische Flüssigkeit) (Abbildung 4)25. Die scheinbare Streckgrenze (σy)in strukturierten Fluiden stellt eine Zustandsänderung dar, die in rheologischen Daten aus stationären Sweeps und dynamischen Spannungs-Dehnungs-Sweeps10beobachtet werden kann. Wenn die extern angelegte Spannung geringer ist als die scheinbare Streckgrenze, verformt sich das Material elastisch. Wenn die Spannung die scheinbare Streckgrenze übersteigt (in Abbildung 3Bals "mittlere Spannung" gekennzeichnet), wechselt das Material von elastischer zu plastischer Verformung und beginnt in seinem flüssigen Zustand zu fließen35. Die Messung des Speichermoduls (G') und des Verlustmoduls (G") in der Schleimprobe unter oszillierenden Spannungsbedingungen (oder Dehnungsbedingungen) quantifiziert die Änderung des Materialzustands von gelartigem zu viskoelastischem flüssigkeitsähnlichem Verhalten.
Die Arten von Rheometertests, die zur Überwachung von Daten in Bezug auf Speichermodul (G'), Verlustmodul (G") und scheinbare Viskosität (η) durchgeführt werden, werden hier beschrieben. Die dynamischen Schwingungstests (Dehnungs-Sweeps und Frequenz-Sweeps) überwachten G' und G' unter kontrollierter Schwingung der Kegelgeometrie. Die dynamischen Dehnungsfegentests bestimmten den linearen viskoelastischen Bereich (LVR) des Schleims durch Überwachung der intrinsischen Materialreaktion (Abbildung 4). Dehnungsfegen wurden verwendet, um das Nachgiebverhalten bei konstanter Schwingungsfrequenz und Temperatur zu bestimmen. Die dynamischen Frequenz-Sweep-Tests überwachten die Materialreaktion auf steigende Frequenz (Verformungsrate) bei konstanter Amplitude (Dehnung oder Spannung) und Temperatur. Für die dynamischen Frequenz-Sweep-Tests wurde die Dehnung im linearen viskoelastischen Bereich (LVR) aufrechterhalten. Die stationären Scherratentests überwachten die scheinbare Viskosität (η) unter stetiger Rotation der Kegelgeometrie. Der GR-Schleim wurde inkrementellen Belastungsschritten ausgesetzt und die scheinbare Viskosität (η, Pa.s) auf unterschiedliche Scherrate (ý, 1/s) überwacht.
Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll behandelt den GR-Schleim als ein komplex strukturiertes Material unbekannter Viskoelastizität mit einem bestimmten linearen viskoelastischen Reaktionsbereich. Der Fischschleim wurde aus den GRs des Silberkarpfens während eines Angelexpeditions am Hart Creek im Missouri River von Professor L. Patricia Hernandez (Department of Biological Sciences, The George Washington University) 1,2,36extrahiert.  Eine Anordnung von GRs im Mund eines Silberkarpfens ist in Abbildung 5A und eine schematische Zeichnung in Abbildung 5Bdargestellt. Ein ausgeschnittener GR ist in Abbildung 5Cdargestellt.  Die Extraktion von Schleim aus GRs des Silberkarpfens wird als Beispiel in den schematischen Zeichnungen dargestellt, Abbildung 5D, E. Alle Rheometertests wurden unter einer konstanten, kontrollierten Temperatur von 22 ± 0,002 °C durchgeführt, die temperatur aufgezeichnet am Fangort1,2,36.  Jede Schleimprobe wurde dreimal mit dem Rheometer getestet, und die gemittelten Ergebnisse werden zusammen mit den statistischen Fehlerbalken dargestellt.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:888px;" width="887">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Materials</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td style="width:191px;"></td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Kim Wipes</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">470224-038</td>
			<td style="width:261px;">To clean Sample from plate</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Gloves</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89428-750</td>
			<td style="width:261px;">To prevent contamination of sample</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89079-974</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette Tips</td>
			<td style="width:245px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:191px;">72830-042</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Shaker</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89032-094</td>
			<td style="width:261px;">To homogenously mix sample of mucus</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Vials</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">66008-710</td>
			<td style="width:261px;">Contains measured sample volumes</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Weigh Scale</td>
			<td style="width:245px;">Ohaus</td>
			<td style="width:191px;">Scout &#8211;SPX Balances</td>
			<td style="width:261px;">To weigh mass of mucus samples</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Chemical Reagents</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">De-Ionized Water (H20)</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Sterile 70% Isopropanol (C3H8O)</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89108-162</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">GR Mucus</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">100 mg/mL concentration, 2mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">400 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">200 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">MATLAB</td>
			<td style="width:245px;">Mathworks</td>
			<td style="width:191px;">R2017a</td>
			<td style="width:261px;">Data analysis, post-processing and graphical representation</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Trios</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td style="width:191px;">v4.5.042498</td>
			<td style="width:261px;">Rheometer instrument control and analysis software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix

Der Silberkarpfen, Hypophthalmichthys molitrix, ist ein invasiver planktfressender Filterfüttererfisch, der aufgrund seines hocheffizienten Filterfütterungsmechanismus die natürlichen Wasserwege des oberen Mississippi-Beckens befallen hat. Die charakteristischen Organe, die als Kiemenrechen (GRs) bezeichnet werden und in vielen solchen Filterfütterern zu finden sind, erleichtern die effiziente Filtration von Lebensmittelpartikeln wie Phytoplankton, die einige Mikrometer groß sind.
Die Motivation, die Rheologie des GR-Schleims zu untersuchen, rührt von unserem Wunsch her, seine Rolle bei der Unterstützung des Filterfütterungsprozesses im Silberkarpfen zu verstehen. Die schleimreiche Flüssigkeit in einem "dicken und klebrigen" Zustand kann die Haftung von Lebensmittelpartikeln erleichtern. Die Permeation und der Transport durch die GR-Membran werden durch die Einwirkung externer Scherkräfte erleichtert, die unterschiedliche Scherdehnungsraten induzieren. Daher kann die Schleimrheologie einen wichtigen Hinweis auf die enorme Überkonformität des Silberkarpfens im Pool der filterfütternden Fische liefern. Auf dieser Grundlage wurde postuliert, dass GR-Schleim eine Klebefunktion für Lebensmittelpartikel bieten und als Transportmittel zur Unterstützung des Filterfütterungsprozesses fungieren kann.
Das Hauptziel des Protokolls ist es, die Streckgrenze des Schleims zu bestimmen, die auf die minimale Scherspannung zurückzuführen ist, die erforderlich ist, um eine Strömung zu initiieren, bei der eine irreversible plastische Verformung zuerst über ein strukturiertes viskoelastisches Material beobachtet wird. Dementsprechend wurden die rheologischen Eigenschaften des GR-Schleims, d.h. Viskositäts-, Speicher- und Verlustmodule, mit einem Rotationsrheometer auf seine nicht-newtonsche, scherverdünnende Natur untersucht.
Ein hier vorgestelltes Protokoll wird verwendet, um die rheologischen Eigenschaften von Schleim zu analysieren, der aus den Kiemenrechen eines Silberkarpfens gewonnen wird, der am Hart Creek-Standort des Missouri River gefischt wird. Das Protokoll zielt darauf ab, eine effektive Strategie für rheologische Tests und Materialcharakterisierung von Schleim zu entwickeln, von dem angenommen wird, dass er ein strukturiertes viskoelastisches Material ist.

In diesem Abschnitt stellen wir die Ergebnisse der Experimente an GR-Schleim mit einem Rotationsrheometer mit Kegelgeometrie (40 mm Durchmesser, 1° 0' 11'') und einer Peltierplatte vor. Die Experimente halfen bei der Charakterisierung des nicht-newtonschen, scherverdünnenden Verhaltens des GR-Schleims und der scheinbaren Streckgrenze, die den Schleimübergang von einem gelartigen Material zu einem flüssigkeitsähnlichen Material darstellt. Die repräsentativen Ergebnisse beinhalten quantitative Beschreibungen von Dreh...

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Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

Dieses Protokoll stellt eine Methode zur rheologischen Charakterisierung von Schleim vor, der sich auf Kiemenrechen (GRs) des Silberkarpfens befindet. Viskoelastische Eigenschaften von GR-Schleim, die durch Messung von Viskositäts-, Speicher- und Verlustmodulen erhalten werden, werden auf die scheinbare Streckgrenze untersucht, um den Filterfütterungsmechanismus in GRs zu verstehen.

Makrorheologische Charakterisierung von Kiemen-Raker-Schleim im Silberkarpfen, Hypophthalmichthys molitrix

The silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, is an invasive planktivorous filter feeder fish that infested the natural waterways of the upper Mississippi ...

macro-rheology-characterization-gill-raker-mucus-silver-carp

Research

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Engineering

Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

3.0K Aufrufe.  The George Washington University. Dieses Protokoll stellt eine Methode zur rheologischen Charakterisierung von Schleim vor, der sich auf Kiemenrechen (GRs) des Silberkarpfens befindet. Viskoelastische Eigenschaften von GR-Schleim, die durch Messung von Viskositäts-, Speicher- und Verlustmodulen erhalten werden, werden auf die scheinbare Streckgrenze untersucht, um den Filterfütterungsmechanismus in GRs zu verstehen.

Serie: Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Ein Verfahren zur Getrennt Silber Nanostrukturen in 3D Fabricate

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Forschung

Ingenieurwesen

Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information support1,2,3. In this context, metal nanowires are especially desirable for realizing dense routing networks4. A prerequisite to operate such shared nanowire-based platform relies on our ability to electrically contact individual metal nanowires and efficiently excite surface plasmon polaritons5 in this information support. In this article, we describe a protocol to bring electrical terminals to chemically-synthesized silver nanowires6 randomly distributed on a glass substrate7. The positions of the nanowire ends with respect to predefined landmarks are precisely located using standard optical transmission microscopy before encapsulation in an electron-sensitive resist. Trenches representing the electrode layout are subsequently designed by electron-beam lithography. Metal electrodes are then fabricated by thermally evaporating a Cr/Au layer followed by a chemical lift-off. The contacted silver nanowires are finally transferred to a leakage radiation microscope for surface plasmon excitation and characterization8,9. Surface plasmons are launched in the nanowires by focusing a near infrared laser beam on a diffraction-limited spot overlapping one nanowire extremity5,9. For sufficiently large nanowires, the surface plasmon mode leaks into the glass substrate9,10. This leakage radiation is readily detected, imaged, and analyzed in the different conjugate planes in leakage radiation microscopy9,11. The electrical terminals do not affect the plasmon propagation. However, a current-induced morphological deterioration of the nanowire drastically degrades the flow of surface plasmons. The combination of surface plasmon leakage radiation microscopy with a simultaneous analysis of the nanowire electrical transport characteristics reveals the intrinsic limitations of such plasmonic circuitry.

Silver nanowires can simultaneously transport electrons and optical information in the form of surface plasmons. A procedure is described here to realize such a shared circuitry and the limitations at propagating both information carriers are evaluated.

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information ...

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including conductive, semi-conductive or nonconductive one-dimensional structures. This technique broadens the measurement scope of materials (conductive and nonconductive) and improves the accuracy and stability. If the sample (especially biomaterials, such as human head hair, spider silk, and silkworm silk) is not conductive, it will be coated with a gold layer to make it electronically conductive. The effect of parasitic conduction and radiative losses on the thermal diffusivity can be subtracted during data processing. Then the real thermal conductivity can be calculated with the given value of volume-based specific heat (&#961;cp), which can be obtained from calibration, noncontact photo-thermal technique or measuring the density and specific heat separately. In this work, human head hair samples are used to show how to set up the experiment, process the experimental data, and subtract the effect of parasitic conduction and radiative losses.

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials.

Thermische Charakterisierung von Transport-in-One-dimensional Solide Materialien

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and Titanium Sapphire lasers as the workhorse laser of atomic physics labs1,2. Their versatility and prolific use throughout atomic physics in applications such as absorption spectroscopy and laser cooling1,2 makes it imperative for incoming students to gain a firm practical understanding of these lasers. This publication builds upon the seminal work by Wieman3, updating components, and providing a video tutorial. The setup, frequency locking and performance characterization of an ECDL will be described. Discussion of component selection and proper mounting of both diodes and gratings, the factors affecting mode selection within the cavity, proper alignment for optimal external feedback, optics setup for coarse and fine frequency sensitive measurements, a brief overview of laser locking techniques, and laser linewidth measurements are included.

This is an instructional paper to guide the construction and diagnostics of external cavity diode lasers (ECDLs), including component selection and optical alignment, as well as the basics of frequency reference spectroscopy and laser linewidth measurements for applications in the field of atomic physics.

Konstruktion und Charakterisierung von External Cavity Diode Laser für die Atomphysik

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via stereotactic radiotherapy where positioning accuracy allows delivering very high doses per fraction in a small volume of the patient. Dosimetric measurements on medical accelerators are conventionally realized using air-filled ionization chambers. However, in small beams these are subject to nonnegligible perturbation effects. This study focuses on liquid ionization chambers, which offer advantages in terms of spatial resolution and low fluence perturbation. Ion recombination effects are investigated for the microLion detector (PTW) used with the Cyberknife system (Accuray). The method consists of performing a series of water tank measurements at different source-surface distances, and applying corrections to the liquid detector readings based on simultaneous gaseous detector measurements. This approach facilitates isolating the recombination effects arising from the high density of the liquid sensitive medium and obtaining correction factors to apply to the detector readings. The main difficulty resides in achieving a sufficient level of accuracy in the setup to be able to detect small changes in the chamber response.

A growing number of radiation therapy devices offer the advantage of delivering the dose through very small beams to the tumor, allowing for increased conformity and higher doses per fraction. Many different detectors can be used for the dosimetry of these small fields. In the present study, the effect of ion recombination is investigated for a liquid ionization chamber using a stereotactic radiation therapy system.

Charakterisierung der Rekombination Effekte in einer Flüssigkeit Ionisationskammer Wird für die Dosimetrie eines radiochirurgische Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Electron Channeling Contrast Imaging Rapid III-V heteroepitaktischen Charakterisierung

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Production of Synthetic Nuclear Melt Glass

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we outline a novel process for producing bulk surface debris using a high temperature furnace. The material developed in this study is physically and chemically similar to trinitite (the melt glass produced by the first nuclear test). This synthetic nuclear melt glass is assumed to be similar to the vitrified material produced near the epicenter (ground zero) of any surface nuclear detonation in a desert environment. The process outlined here can be applied to produce other types of nuclear melt glass including that likely to be formed in an urban environment. This can be accomplished by simply modifying the precursor matrix to which this production process is applied. The melt glass produced in this study has been analyzed and compared to trinitite, revealing a comparable crystalline morphology, physical structure, void fraction, and chemical composition.

A protocol for the production of synthetic nuclear melt glass, similar to trinitite, is presented.

Herstellung von synthetischen Kernschmelzglas

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we ...

A Fabrication Method for Highly Stretchable Conductors with Silver Nanowires

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of stretchable electronic devices is the preparation of stretchable conductors with great mechanical stability. In this study, we developed a simple fabrication method to chemically solder the contact points between silver nanowire (AgNW) networks. AgNW nanomesh was first deposited on a glass slide via spray coating method. A reactive ink composed of silver nanoparticle (AgNPs) precursors was applied over the spray coated AgNW thin films. After heating for 40 min, AgNPs were preferentially generated over the nanowire junctions to solder the AgNW nanomesh, and reinforced the conducting network. The chemically modified AgNW thin film was then transferred to polyurethane (PU) substrates by casting method. The soldered AgNW thin films on PU exhibited no obvious change in electrical conductivity under stretching or rolling process with elongation strains up to 120%.

A simple synthesis method is used to chemically solder silver nanowire thin film to fabricate highly stretchable and conductive metal conductors.

Ein Herstellungsverfahren für hochverstreckbare Leiter mit Silber Nanodrähte

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of ...