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Resumen

Presentamos un protocolo para la realización de pruebas de flexión de tres puntos en las fibras de escala submilimétrica utilizando un dispositivo mecánico a la medida. El aparato puede medir las fuerzas que van desde 20 µN hasta 10 N y por lo tanto puede acomodar una variedad de tamaños de fibra.

Resumen

Muchos cargan teniendo estructuras biológicas (LBBSs) — como estimará pluma y espículas, son pequeños (< 1 mm) pero no microscópica. Medir el comportamiento a la flexión de estos LBBSs es importante para comprender los orígenes de sus notables funciones mecánicas.

Se describe un protocolo para realizar pruebas de flexión de tres puntos mediante un dispositivo mecánico de prueba a la medida que puede medir fuerzas hasta de 10-5 101 N y desplazamientos que van desde 10-7 10-2 m. La principal ventaja de este dispositivo mecánico de prueba es que las capacidades de fuerza y el desplazamiento se pueden ajustar fácilmente para diferentes LBBSs. Principio de funcionamiento del dispositivo es similar a la de un microscopio de fuerza atómica. Es decir, la fuerza se aplica a la LBBS por un punto de carga que se adjunta al final de un cantilever. El desplazamiento del punto de carga es medido por un sensor de desplazamiento óptico de fibra y convertido en una fuerza con la rigidez de la medida del voladizo. Gama de fuerza del dispositivo se puede ajustar mediante el uso de voladizos de diferentes rigideces.

Se demuestran las capacidades del dispositivo mediante la realización de pruebas de flexión de tres puntos en los elementos esqueléticos de la esponja marina Euplectella aspergillum. Los elementos esqueléticos — conocidos como espículas, son fibras de sílice que son aproximadamente de 50 μm de diámetro. Se describen los procedimientos para calibrar el dispositivo de pruebas mecánico, montaje de las espículas en un accesorio de flexión de tres puntos con un palmo de ≈1.3 mm, y realizar una flexión prueba. Se mide la fuerza aplicada a la Espícula y su desviación en la ubicación de la fuerza aplicada.

Introducción

Mediante el estudio de las arquitecturas de estructuras biológicas (LBBSs), como la cáscara y el hueso de soporte de carga, los ingenieros han desarrollado nuevos materiales compuestos que son fuertes y duros 1. Se ha demostrado que las propiedades mecánicas notables de LBBSs y sus contrapartes bio-inspirados están relacionados con sus intrincadas arquitecturas internas 2. Sin embargo, las relaciones entre arquitecturas LBBS y propiedades mecánicas no se entienden completamente. Medición de respuesta mecánica de un LBBS es el primer paso hacia la comprensión de cómo la arquitectura mejora sus propiedades mecánicas.

Sin embargo, es importante que el tipo de examen utilizado para medir la respuesta mecánica de un LBBS es coherente con su función mecánica. Por ejemplo, desde plumas deben soportar cargas aerodinámicas, la función primaria de un raquis de pluma es darle rigidez a la flexión 3. Por lo tanto, una prueba de flexión es preferible a una prueba de tensión uniaxial para medir su respuesta mecánica. De hecho, muchos LBBSs, como pluma estimará 3, hierba tallos 4y espículas 5,6,7,8— sobre todo deforme por flexión. Esto es porque estos LBBSs son delgados,es decir, su longitud es mucho mayor que su anchura o profundidad. Sin embargo, realizar pruebas de flexión en estos LBBSs es un reto porque las fuerzas y desplazamientos que pueden soportar antes de fallar la gama de 10-2 a 102 N y 10-4 10-3 m, respectivamente 3 , 4 , 5 , 7 , 8. en consecuencia, el dispositivo utilizado para realizar estas pruebas mecánicas debe tener resoluciones de fuerza y el desplazamiento de ≈10-5 N y ≈10-7 m (es decir, el 0.1% de fuerza máxima mensurable y desplazamiento del sensor), respectivamente.

Disponible comercialmente a gran escala, los sistemas mecánicos de prueba típicamente no pueden medir fuerzas y desplazamientos con esta resolución. Mientras que fuerza atómica microscopio base 9,10 o micrométrica basadas en sistemas 11 aparatos de control tienen la resolución adecuada, la fuerza máxima (desplazamiento respectivo) que pueden medir es menor que la fuerza máxima (desplazamiento respectivo) que puede soportar el LBBS. Por lo tanto realizar las pruebas de flexión en estos LBBSs, ingenieros y científicos debe confiar en a la medida mecánica pruebas dispositivos 5,7,12,13. La principal ventaja de estos dispositivos a la medida es que puede acomodar las gamas grandes de las fuerzas y desplazamientos. Sin embargo, la construcción y operación de estos dispositivos no está bien documentado en la literatura.

Un protocolo es descrito para realizar pruebas de flexión de tres puntos mediante un dispositivo mecánico de prueba a la medida que puede medir fuerzas hasta de 10-5 101 N y desplazamientos que van desde 10-7 10-2 m. Dibujos técnicos, incluyendo todas las dimensiones, de los componentes del dispositivo de pruebas mecánico se encuentran en el Material complementario. La principal ventaja de este dispositivo mecánico de prueba es que los rangos de fuerza y desplazamiento se pueden ajustar fácilmente para adaptarse a diferentes LBBSs. Principio de funcionamiento del dispositivo es similar a la de un microscopio de fuerza atómica 9. En este dispositivo, se coloca un espécimen a través de una zanja en una placa de acero inoxidable (ver figura 1A-C). El palmo de la zanja se mide desde la ópticas micrografías que 1278 ± 3 μm (media ± desviación estándar, n = 10). Los bordes de la zanja apoyan al espécimen durante la prueba de flexión (véase figura 1y D). Esta etapa muestra es conectada a una etapa de la traducción de tres ejes y coloca debajo de una cuña de aluminio de modo que la cuña se encuentra a medio camino a través del palmo de la zanja (véase figura 1C). Moviendo el escenario en el figure-introduction-4750 la dirección (véase figura 1Ay C), la muestra se empuja en la cuña causando el espécimen para doblar.

Nos referimos a la cuña como la punta del punto de carga (LPT) y el componente del dispositivo que contiene la cuña como el punto de carga (LP). El LP se une al extremo de un voladizo cuyo desplazamiento se mide por un sensor de desplazamiento óptico de fibra (FODS). La FODS emite luz infrarroja, que se refleja en un espejo situado en la parte superior del LP (ver figura 1B) y recibido por una fibra óptica en la FODS. Una pieza cuadrada de ≈5 milímetro de una oblea de silicio pulido se utiliza como el espejo de LP y se encuentra en el LP con resina. La FODS medidas de desplazamientos mediante la comparación de las intensidades de la luz emitida y reflejada. La rigidez del voladizo y desplazamiento se utilizan para calcular la fuerza, figure-introduction-5784 , experimentado por la cuña debido a su interacción con la muestra. El desplazamiento de voladizo se utiliza también para calcular el desplazamiento de la sección transversal del espécimen debajo de la cuña, figure-introduction-6064 . Sensores basados en voladizo se han utilizado en un número de micro y macro escala mecánica pruebas estudios 10,11,12,13,14. El diseño específico aquí presentado es una adaptación de un dispositivo mecánico utilizado para realizar experimentos de contacto adhesivo 14. Un diseño similar también se ha utilizado en un tribómetro de micro disponibles en el mercado 15,16.

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Figura 1: Resumen del dispositivo prueba mecánico a la medida de. (A) A representación de diseño asistido por ordenador del dispositivo. Los componentes de la etapa se resaltan en verde. La fuerza de detección de subconjunto (cantilever, punto de carga (LP)) está resaltada en rojo. (B) una magnifica vista de (A). El espejo LP aparece en azul en la superficie superior del LP bajo la FODS y está etiquetado como LPM. (C) el sistema de coordenadas utilizado para describir el movimiento de la etapa de la traducción. Por nivelación de thetapa e paso 1.9 del Protocolo, la figure-introduction-7558 la dirección es hecho para coincidir con el vector normal a la superficie del espejo del LP. (D) A esquema de la configuración de flexión de tres puntos que muestra la deformación de la Espícula y los desplazamientos medidos figure-introduction-7866 , y figure-introduction-7944 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Están demostradas las capacidades del dispositivo mediante la realización de pruebas de flexión de tres puntos en los elementos esqueléticos de la esponja marina Euplectella aspergillum6,7. Esqueleto de la esponja es un conjunto de filamentos, llamados espículas (ver figura 2A). Las espículas son ≈50 μm de espesor y se componen principalmente de sílice 6. Espículas basado en Biosilica se encuentran en esponjas pertenecientes a la clase Hexactinellida, Demospongiae y Homoscleromorpha. Esponjas, como E. aspergillum, que pertenecen a la clase Hexactinellida también son conocidos como "esponjas de cristal". Mientras que las espículas de esponjas de cristal se componen principalmente de sílice, se ha demostrado que la sílice a menudo contiene una matriz orgánica compuesta de cualquier colágeno 17,18 o quitina 19,20 , 21. esta matriz orgánica juega un papel importante en sílice biomineralización 18,20. Además, en algunas espículas la matriz orgánica también sirve como una plantilla para la biomineralización de calcio 22. Además de ser distribuidos en la sílice, la matriz orgánica también puede formar capas distintas que la partición de sílice de la Espícula en laminillas concéntricas, cilíndrico 6,23. Se ha demostrado que esta arquitectura laminar concéntrica puede afectar deformación comportamiento 6,7,8,24,25,26 las espículas . Por lo tanto, propiedades mecánicas de las espículas están determinados por una combinación de la química (es decir., la estructura química del compuesto de sílice en proteínas) y su arquitectura 27. La estructura química y la arquitectura de espículas de esponja de vidrio están todavía bajo investigación 24,28,29.

La mayoría de las espículas en E. aspergillum se cementa juntos para formar una jaula esquelética rígida. Sin embargo, en la base del esqueleto hay un penacho de muy largas espículas de (≈10 cm) conocido como las espículas de anclaje (ver figura 2A). Describimos el protocolo para la realización de pruebas de flexión de tres puntos de pequeñas secciones de las espículas de anclaje.

En el paso 1 del Protocolo, se describe el procedimiento para el montaje y alineación de los componentes del dispositivo prueba mecánico a la medida. Pasos 2 y 4 del protocolo proporcionan las instrucciones para generar datos de calibración utilizados para calcular las fuerzas y desplazamientos en la prueba de flexión. Los pasos para preparar una sección de una Espícula y montarlo en la lámpara de prueba se describen en el paso 3. El procedimiento para la realización de la prueba de flexión en la sección de la Espícula se describe en el paso 5. Por último, en la sección de Resultados de la representante de la calibración de los datos obtenidos en los pasos 2 y 4 se utiliza junto con los datos de prueba de flexión obtenidos en el paso 5 para calcular figure-introduction-12052 y figure-introduction-12120 .

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Figura 2: Procedimiento de seccionamiento e inspección espículas E. aspergillum. (A) el esqueleto de E. aspergillum. El penacho de espículas de anclaje independiente se muestra en la base del esqueleto. La barra de escala es de ~ 25 mm. (B) una Espícula de anclaje de un solo se sostiene en un portaobjetos de microscopio con un cepillo de sable #00000 rojo y seccionada con una cuchilla de afeitar. La barra de escala es ~ 12 mm. (C) una sección de una Espícula aspergillum E. colocada a través de la fosa en el escenario de la muestra. Los bordes de la zanja y canto de trinchera se resaltan en verde azulado y naranja, respectivamente. La Espícula es empujado contra la cresta de la zanja para que su eje sea perpendicular a los bordes de la zanja. (D) una micrografía de una Espícula que pasa el procedimiento de inspección descrito en el paso 3.4 del Protocolo, que se describe cómo determinar si una sección de Espícula está dañada y debe ser desechada. (E) A micrografía de una Espícula que contiene muchas fisuras y que faltan grandes secciones de capas de sílice que no el procedimiento de inspección descrito en el paso 3.4 del protocolo. Barras de escala = 250 μm (C), (D) de 100 μm y 100 μm (E). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocolo

1. montaje y alineación

  1. elegir un voladizo cuya rigidez es apropiado para el experimento previsto. Coloque el LP en voladizo mediante #4-40 tornillos de cabeza hueca (SHCSs) (ver figura 3 A). Tenga cuidado de no plásticamente deformar los brazos de cantilever mientras colocar el LP.

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figura 3: procedimiento para el montaje de la micropalanca fuerza sensor y medir su rigidez. Punto (A) la carga (LP) se une al voladizo (C), con el extremo de la punta de la carga (LPT) apuntado hacia arriba. (B) el voladizo y subconjunto de LP se une a la placa de voladizo, como CP. El bolsillo ahuecado de la placa voladiza se muestra debajo de los brazos de cantilever. (C) la placa voladiza se une a la parte inferior del marco de forma que quede hacia el lado de la placa se muestra en (B) la figure-protocol-1110 dirección. Pesos de calibración utilizados en el paso 2 del Protocolo se muestran colgando del agujero en el LPT y el micrómetro FODS se denota como brazas (D) el gancho de alambre. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. aplique unas cuantas gotas de 2-propanol de un hisopo de algodón libre de pelusa y limpie la superficie del espejo del LP. Revise el espejo para arañazos y reemplazar el espejo si está dañado.
  2. Fije sin apretar el voladizo a la placa de voladizo con SHCSs #6-32 en el lado de la placa que contiene la bolsa ahuecada con el LPT apuntando lejos de la placa (vea la figura 3 B). Inserte el 1/8 " pernos de alineación a través del voladizo y la placa, apriete los tornillos y retire los pernos de alineación.
  3. Retracción del FODS tanto como sea posible girando la FODS micrómetro en sentido antihorario (ver figura 3 C). Fije sin apretar la placa voladiza al marco usando SHCSs #6-32 con el LPT apuntando en la figure-protocol-2398 dirección (ver figura 1 A). Inserte el 1/8 " pernos de alineación a través de la placa de bastidor y voladizo, apriete los tornillos y retire los pernos de alineación (vea la figura 3 C).
  4. Vuelta en el poder de la fuente y el voltaje a 12.00 V en modo de voltaje constante usando la perilla de ajuste. Luego encienda la tensión de salida y confirmar que el consumo de corriente aparece en la fuente de alimentación ' s LCD pantalla es aproximadamente 60-70 mA. Espere por lo menos una hora para que la corriente alcanzar de estado estacionario para reducir la incertidumbre de medición de voltaje.
  5. Abra y ejecute el programa Basic_Data (ver archivos de código complementario). Gire a la derecha para mover las FODS hacia el LP del espejo hasta que la tensión de salida que se muestra en el gráfico de la interfaz de usuario alcanza un valor máximo el micrómetro FODS (véase C figura 3 y figura 4 A).
    1. Ajuste la ganancia de FODS girando el conjunto de tornillos en el lado de las viviendas del FODS para que la tensión de salida es 5.0 V. girar el micrómetro FODS en sentido antihorario para retraer la FODS.
  6. Encender el iluminador de microscopio y ajustar la posición del microscopio y enfocar con las dos etapas de traducción en manual para que el LPT se centra en el campo de visión. Detener el programa Basic_Data haciendo clic en el ' dejar de ' botón.
  7. Abra el software de interfaz de usuario del controlador del motor. Utilice el cursor del potenciómetro en la figure-protocol-4216 -regulador del motor de eje para mover el escenario para el recorrido máximo permisible en la < img alt = "Ecuación 6" src = "archivos/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg"/ > dirección y conjunto la posición inicial haciendo clic en el ' casa ' botón en la interfaz de usuario.
    1. Uso el potenciómetro deslizante en la figure-protocol-4646-regulador del motor de eje para mover el escenario para el recorrido máximo permisible en la figure-protocol-4807 dirección y conjunto la posición inicial. Cerrar el software de interfaz de usuario.
  8. Asiento la etapa en la placa base de la etapa (ver figura 4 A) para que las puntas de las cabezas del micrómetro en la nivelación de la placa el resto en las chuletas de la placa base de etapa. Coloque un nivel de burbuja sobre la tabla de aislamiento y ajuste la presión en cada uno de la tabla ' las piernas s girando la válvula del brazo tornillos de mariposa para que la superficie esté nivelada.
    1. Hacia el nivel de burbuja de la parte superior de la etapa de nivelación de la placa y ajuste los micrómetros para que también esté al mismo nivel. Tenga en cuenta las posiciones del micrómetro y eliminar la etapa de la placa base de la etapa. Nota: El protocolo puede ser una pausa aquí.

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figura 4: el dispositivo mecánico de prueba como montado en pasos de 1.9 y 3.7 del Protocolo de. (A) la etapa de la muestra (SS), se une a la etapa de la traducción (TS) y se nivela con los micrómetros en la etapa de nivelación de placa (SLP), que están sentados en la placa base de la platina (SBP). La placa base de la platina se fija a la placa óptica de la tabla de aislamiento. El voladizo (C); placa voladiza (CP); y sensor de desplazamiento óptico de fibra (FODS) componen la fuerza de sistema de detección. Punto (B) la carga (LP) se une al voladizo y el extremo de la punta de carga (LPT) se coloca sobre la Espícula en el escenario de la muestra. Durante una prueba de flexión, el desplazamiento de la LP se mide con la FODS. La distancia inicial entre el FODS y el espejo LP es controlada por el micrómetro FODS (FM) se muestra en (A). (C) A micrografía de la Espícula poner a través de la fosa en la etapa de la muestra, situada por debajo de la LPT. Barra de escala = 250 μm (C). haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. voladizo rigidez medida

  1. ejecutar el programa Basic_Data y girar el micrómetro FODS en sentido horario hasta que la tensión de salida es aproximadamente a 4 V. parada el programa haciendo clic en el ' dejar de ' botón.
  2. Medir la masa de las pesas de alambre gancho y calibración utilizando una balanza analítica.
  3. Abrir el programa Cantilever_Calibration (ver archivos de código complementario) e introduzca el nombre de archivo para la fuerza de calibración archivo de salida en el cuadro de texto en la interfaz de usuario.
  4. Ejecutar el programa Cantilever_Calibration y haga clic en ' OK ' cuando se le pida para entrar en la masa del primer peso de calibración. Espere a que el voltaje de salida que se muestran en el gráfico de la interfaz de usuario para detener oscilante y haga clic en el verde ' voltaje estabilizado ' botón para tomar una medida de voltaje de.
  5. Pinzas uso para colgar el alambre del gancho el agujero de la LPT para que el gancho quede lejos del objetivo del microscopio (véase la figura 3 D). Utilice las pinzas para humedecer la vibración de la micropalanca causada por la adición del gancho de.
    1. La masa del gancho en gramos en el cuadro de diálogo y haz clic ' OK '. Como en el paso anterior, espere a que la tensión de salida detener la oscilación antes de hacer clic en el ' voltaje estabilizado ' botón.
  6. Uso pinzas para colgar el primer peso del cable del gancho y repita el proceso de tomar una medición de voltaje como se describe en el paso anterior. Repita este paso hasta que todos los pesos de calibración han sido colgados o la tensión de salida es inferior a 1,8 V. En este punto, haga clic en ' cancelar ' en el cuadro de diálogo para salir del programa Cantilever_Calibration.
  7. Girar el micrómetro FODS en sentido antihorario para retraer la FODS. Retire cuidadosamente el gancho y el peso de la LPT.
    Nota: El archivo de salida de calibración de fuerza es una lista ficha delimitado de la fuerza aplicada por las masas de calibración, la media de lecturas de voltaje de salida FODS 100 y la desviación estándar de las lecturas. La sección de Resultados representante describe cómo se procesa este archivo de datos para medir la rigidez voladizo.

3. Preparación de la muestra

  1. desgaste de nitrilo guantes cuando maneje el aspergillum E. esponja esqueletos y almacenar los esqueletos en recipientes cerrados cuando no están siendo manejados.
    PRECAUCIÓN: Puesto que las espículas se componen principalmente de sílice, Espícula rotos fragmentos son filosas y se incrustan en la piel, llevando a la irritación.
  2. Utilizar un par de pinzas para agarrar una Espícula de anclaje por su extremo distal y tire para sacarlo del esqueleto (ver figura 2 A). Coloque la Espícula sobre un portaobjetos limpio.
  3. Mantenga la Espícula contra la corredera cerca de la mitad a lo largo de su longitud con un pincel de sable #00000 rojo. Cortar un ≈ sección de 4 mm de la Espícula presionando una hoja de afeitar contra la Espícula a ambos lados del cepillo perpendicular a la diapositiva de la superficie (ver figura 2 B). Deseche las secciones grandes de Espícula distal y proximal y mantener la ≈ sección de 4 mm.
  4. Inspeccione la sección de la Espícula de 4 mm utilizando un microscopio de luz polarizado en un aumento de 10 x (vea la figura 2 C-E). Descartar la sección de la Espícula y volver al paso 3.2 si le falta grandes regiones de capas de sílice (ver figura 2 E). Manejar la Espícula inspeccionar secciones exclusivamente con el pincel de sable #00000 rojo para evitar la introducción de cualquier nuevo daño a sus capas de sílice.
  5. Limpia cualquier fragmento de Espícula u otras partículas de la superficie de la etapa de la muestra con un cepillo o aire comprimido. Luego aplicar unas gotas de 2-propanol de un hisopo de algodón libre de pelusa y limpie la etapa de la muestra. Evite el contacto con las áreas de la etapa de pintura antirreflectante. Nota: La pintura se usa para reducir el número de reflexiones especulares en las imágenes tomadas durante el test de doblez
  6. Transferencia de la sección de Espícula a la etapa de la muestra. Coloque la sección Espícula en la zanja con el intervalo deseado para la prueba de flexión y empuje suavemente la figure-protocol-11976 dirección contra la cresta de la trinchera. Asegurar que la Espícula es perpendicular a los bordes de la zanja (véase figura 2 C).
  7. Asiento la etapa en la placa base de la platina para que las puntas de los largueros del micrómetro descansan en las chuletas de la placa base de etapa. Si es necesario, ajustar los micrómetros en la etapa de nivelación de placa a los valores señala en paso 1.9 del protocolo.

4. Tensión-desplazamiento interpolación archivo

  1. abre el programa Bending_Test (ver archivos de código complementario). Establecer la ' paso tamaño ' a 2 μm, ' desplazamiento máximo ' a 0,5 mm, ' parada de baja tensión ' a 1.5 V, y ' parada de alto voltaje ' a 4,6 V usando los cuadros de texto se muestra en la interfaz de usuario. Cajas de nombre
    1. Seleccione los directorios deseados de imagen y datos y el archivo de salida utilizando el texto en la interfaz de usuario. Establecer la ' guardar imágenes ' cambiar en la interfaz de usuario a la posición hacia abajo y haga clic en el botón rectangular verde debajo de las palabras ' diferencia de tensión ' para que se ilumina.
  2. Ejecutar el programa Bending_Test y esperar a que las interfaces de controlador y la cámara motor inicializar.
  3. Encender el iluminador y ajustar el brillo para que el LPT es visible. Gire el micrómetro FODS hacia la derecha hasta que la tensión de salida que se muestran en el gráfico de la interfaz de usuario es ~1.7 V.
    1. Uso el potenciómetro deslizante en la figure-protocol-13762-regulador del motor de eje para mover el escenario el figure-protocol-13884 dirección hasta ~ 1 cm debajo de la LPT y el conjunto de la figure-protocol-14012-posición eje haciendo clic en el " casa " botón.
  4. Utilizar el cursor del potenciómetro en la figure-protocol-14201- y figure-protocol-14272-controladores de motor de eje a la posición de la LPT sobre el centro de la tira de acero fino en la etapa de la muestra en el figure-protocol-14469 dirección de la zanja. Utilice el cursor del potenciómetro en la figure-protocol-14604-regulador del motor de eje para mover el escenario el figure-protocol-14726 dirección hasta la etapa es en el microscopio ' s campo de vista.
  5. Utilizar el cursor del potenciómetro en la figure-protocol-14917-regulador del motor de eje para mover el escenario el figure-protocol-15039 sentido mientras observando el gráfico de la tensión de salida en la interfaz de usuario. Determinar la posición aproximada en la que el LPT entra en contacto con la fase ' s superficie buscando un cambio en el voltaje con otro movimiento de la etapa. Retraiga la etapa aproximadamente 10 μm.
  6. Haga clic en el botón " prueba comenzar ". Cuando se le solicite, Introduzca valores de 0.003 V y 0,001 mm para ' sensibilidad al tacto ' y ' táctil de tamaño de paso ', respectivamente. Esperar para que la prueba completa.
    Nota: Después de este punto, no lo saque la etapa de la placa base de la platina hasta que la prueba de flexión se completa con el fin de garantizar las medidas de desplazamiento precisos. El archivo de salida de tensión-desplazamiento interpolación es una lista ficha delimitado por de la media de lecturas de voltaje de salida FODS 100 y la desviación estándar de las lecturas junto con el figure-protocol-16061- posición de eje en cada incremento de desplazamiento de fase. La sección de Resultados representante describe cómo se utiliza este archivo de datos para convertir voltajes de salida FODS medidos a desplazamientos LP.

5. Prueba de flexión

  1. abrir y ejecutar el Basic_Data programa y gire el micrómetro FODS hacia la izquierda hasta que la tensión de salida que se muestra en el gráfico de la interfaz de usuario es aproximadamente 3 V. uso del cursor del potenciómetro en la < img Alt = "Ecuación 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -regulador del motor de eje para colocar el LPT entre los bordes de la zanja por encima de la Espícula (vea la figura 4 C).
    1. Uso el potenciómetro deslizante en la figure-protocol-16982-regulador del motor de eje para mover el escenario el figure-protocol-17104 dirección hasta la LPT está por debajo de la superficie superior de la cresta de la zanja (véase figura 5 A). Por último, utilice el cursor del potenciómetro en la figure-protocol-17384-regulador del motor de eje para traer a la superficie frontal de la dorsal de la fosa en el foco para que la anchura completa del LP es entre los bordes de la canto de la trinchera. Detener el programa Basic_Data haciendo clic en el ' dejar de ' botón.
  2. Abra y ejecute el programa Center_LoadPoint (véase el archivo de código complementario). Uso el figure-protocol-17867-regulador del motor de eje para mover el escenario hasta la LPT está casi en contacto con el borde de la fosa derecha. Haga clic en el " encontrar borde " botón.
  3. Cuando se le pida, utilice el figure-protocol-18145-regulador del motor de eje para mover el escenario hasta la LPT está casi en contacto con el borde de la fosa izquierda. Haga clic en el " encontrar borde " botón. Esperar a que el programa a la posición a medio camino del LPT en el palmo de la trinchera (ver figura 5 B).
    Nota: Después de este punto es importante no ajustar el figure-protocol-18605-regulador del motor de eje ya que esto resultará en un desalineamiento de la LPT.
  4. Abre el programa Bending_Test. Establecer el tamaño de paso a 2 μm, desplazamiento máximo 0,5 mm, parada bajo voltaje de 1.5 V y parada de alto voltaje a 4.5 V en los cuadros de texto de la interfaz de usuario. Cajas de nombre
    1. Seleccione los directorios deseados de imagen y datos y el archivo de salida utilizando el texto en la interfaz de usuario. Establecer la ' guardar imágenes ' en la interfaz de usuario del interruptor a la posición superior y haga clic en el botón rectangular verde debajo de palabras ' diferencia de tensión ' por lo que no está iluminado.
  5. Ejecutar el programa Bending_Test y esperar a que las interfaces de controlador y la cámara motor inicializar.
  6. Mover el escenario el figure-protocol-19574 Dirección usando el cursor del potenciómetro del motor controlador hasta que la Espícula en el microscopio ' s campo de visión. Utilice el cursor del potenciómetro en la figure-protocol-19833 -regulador del motor de eje para mover el escenario hasta que la Espícula en el LPT.
    1. Ajustar las perillas de enfoque del microscopio para que la Espícula está enfocado en el usuario interfaz (consulte la figura 4 C). Gire el micrómetro FODS hacia la izquierda hasta que la tensión de salida es aproximadamente 1,8 V.
  7. Utilice el cursor del potenciómetro del regulador del motor eje z para mover la etapa la figure-protocol-20404 Dirección observando el gráfico de la tensión de salida en la interfaz de usuario. Determinar la posición aproximada en la que el LPT contactos la Espícula buscando un cambio en el voltaje con otro movimiento de la etapa. Retraiga la etapa aproximadamente 50 μm.
  8. Haga clic en " comenzar a probar " y espere hasta que se completa la prueba de flexión y el escenario vuelve a la figure-protocol-20867-posición eje.
    Nota: El escenario se moverá en incrementos de μm 2 (como se prescribe en el paso 5.4 del Protocolo) la figure-protocol-21077 dirección, doblando la Espícula (ver Figura 5 C) hasta que una de varias condiciones de parada se cumple. Las condiciones de detención son: a) el desplazamiento de fase máxima de 0,5 mm se alcanza; b) las roturas de la Espícula y el programa detecta una gota grande en la tensión de salida FODS; o c) se alcanza el límite de alta tensión de 4,5 V. Para detener la condición (a), se solicitará al usuario si desea terminar la prueba o reemplazar el valor anterior. Cuando ' reemplazar ' es seleccionado, el usuario tendrá la oportunidad de incrementar el límite de desplazamiento de fase o invertir el sentido del paso de desplazamiento de fase para seguir recogiendo datos como la Espícula está descargada. La dirección de incremento de desplazamiento de fase también puede cambiarse haciendo clic los " inversa carga " botón en cualquier momento durante la prueba. El archivo de salida prueba flexión tiene la misma estructura que el archivo de salida de interpolación tensión-desplazamiento generado en el paso 4.6 del protocolo. Es decir, es una lista ficha delimitado por de la media de lecturas de voltaje de salida FODS 100 y la desviación estándar de las lecturas junto con la figure-protocol-22410-posición de eje en cada etapa incremento de desplazamiento. La sección de Resultados a representante describe cómo se utiliza este archivo de datos junto con el archivo de la interpolación de tensión-desplazamiento para calcular los desplazamientos de voladizo y etapa durante la prueba de flexión. Posteriormente, la rigidez del voladizo se utiliza para calcular la fuerza aplicada por la LPT en la Espícula.
  9. Vez finalizada la prueba, gire el micrómetro FODS en sentido antihorario hasta la FODS es 5 mm, como mínimo, el espejo de la LPT. A continuación, retire con cuidado la etapa de la placa base de la platina.

figure-protocol-23190
figura 5: procedimiento para alinear la LPT con la fosa ' s mid span y realizar un test de flexión (A) el LPT se coloca debajo de la superficie superior de la cresta del foso al final del paso 5.1 del Protocolo, pero no esté todavía a medio palmo. (B) la posición de la LPT después el centrado de la procedimiento descrito en los pasos 5.2 y 5.3 del Protocolo se completan. (C) A micrografía de una Espícula tomada durante la prueba de flexión. El desplazamiento de la sección transversal de la Espícula debajo de la LPT, figure-protocol-23924, está marcada de forma esquemática. Barras de escala = 250 μm (A-C). haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

Las salidas más básicas de cualquier prueba mecánica son la magnitud de la fuerza aplicada a la muestra y el desplazamiento en el lugar donde se aplica la fuerza. En el caso de una prueba de flexión de tres puntos, el objetivo es obtener la magnitud de la fuerza aplicada por la LPT, figure-results-342 y el desplazamiento de la sección transversal del espécimen bajo la LPT en el

Discusión

Varios pasos del protocolo son particularmente importantes para asegurar que las fuerzas y los desplazamientos se miden con precisión. Mientras que algunos de estos pasos fundamentales son universales a todas las pruebas flexión de tres puntos, otros son exclusivos para este dispositivo mecánico de prueba.

En el paso 1.2 del protocolo el espejo LP se limpia y se inspecciona para arañazos y en paso 1.6 del Protocolo se establece la ganancia FODS. Es importa...

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por National Science Foundation [mecánica de materiales y estructuras de programa, número 1562656]; y la sociedad americana de ingenieros mecánicos [Premio al investigador joven Haythornthwaite].

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboardTMC63-563Isolation Table
Diffeential Screw AdjusterThorlabsDAS110For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" GraduationsThorlabs150-801MEFor stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting HolesThorlabsPT102For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 TapsThorlabsDT25For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 TapsThorlabsPT1BFor microscope mount
12" Length, Dovetail Optical RailEdmund Optics54-401For microscope mount
2.5" Width, Dovetail CarrierEdmund Optics54-404For microscope mount
0.5" Width, Dovetail CarrierEdmund Optics54-403For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20Edmund Optics57-788Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTubeEdmund Optics56-125Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27)Edmund Optics53-787Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope ObjectiveEdmund Optics55-790Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6Edmund Optics38-944Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light GuideEdmund Optics42-347Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and HolderEdmund Optics55-718Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS CameraEdmund Optics88-452Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics68-586Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation StageThorlabsMS1SFODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement SensorPhiltecD20FODS
30V, 3A DC Power SupplyAgilentU8001APower supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQNational InstrumentsUSB-6009DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation StageThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/MTranslation stage
T-Cube DC Servo Motor ControllerThorlabsTDC001Motor controller for stage
T-Cube Power SupplyThorlabsTPS001Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsUsed for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)National InstrumentsUsed for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer SliderMVIMDB45305Polarized light microscope
Nikon Dia-PolarizerMVIMDN11920Polarized light microscope
Power Cord - 7'6"MVI79035Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical StageMVIMDC45000Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat CondenserMVIMBL16100Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESDMVIMBP60125Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube FMVIMBB93100Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NCMVIMAK10110Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjectiveMVIMUE42100Polarized light microscope
Venus Flower Basket SpongeDenis BrandN/ASponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up MagnifierMcMaster Carr1490T5Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100>Ted Pella16011Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton SwabMcMaster Carr71035T31Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knifeMcMaster Carr35575A68Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mmTed Pella260409Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm LTed Pella11806Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finishTed Pella5367-5NMUsed for handling spicules
Dual Axis Linear Scale MicrometerEdmund Optics58-608Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CASESD Plastic ContainersFT-38-CASUsed for storing spicules
Plastic Vial Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11Used for leveling the stage
Analytical BalanceMettler ToledoMS105DUUsed to mass calibration weights

Referencias

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