Gli autori riconoscono il sostegno e il finanziamento del GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Ringraziamo la professoressa L. Patricia Hernandez del Dipartimento di Scienze Biologiche della George Washington University per aver ispirato l'indagine e la collaborazione in corso, fornendo competenze biologiche sulla fisiologia della carpa argentata e fornendo i campioni di muco. Ringraziamo gli studenti, David Palumbo, Carly Cohen, Isaac Finberg, Dominick Petrosino, Alexis Renderos, Priscilla Varghese, Carter Tegen e Raghav Pajjur per l'aiuto in laboratorio e Thomas Evans e James Thomas di TA Instruments, New Castle, DE per il supporto con la formazione e la manutenzione del reometro. Le immagini per le figure 5A, C sono state scattate durante una dissezione eseguita dalla professoressa L. Patricia Hernandez del Dipartimento di Scienze Biologiche della George Washington University.

1. Preparazione delle soluzioni di muco di varie concentrazioni
NOTA: Tre concentrazioni della soluzione di muco (400 mg/mL, 200 mg/mL e 100 mg/mL con volumi approssimativi, rispettivamente 1 mL, 1 mL e 2 mL) sono preparate per questo esperimento.
<ol><li>Per calcolare la massa del muco, misurare la massa media delle fiale con (Mcon-muco ; mg) e senza muco (Mfiale ; mg). Quindi sottrarre la massa delle fiale con muco con quella senza muco (Mmuco = Mcon-muco - Mfiale ; mg).</li>
	<li>Diluire il muco in tre concentrazioni (400, 200, 100, mg/mL) con acqua deionizzata (DI).<ol>
<li>Preparare la prima concentrazione della soluzione di muco, 400 mg/mL aggiungendo 0,6 mL di acqua DI al muco usando una micropipetta. NOTA: Poiché il volume approssimativo del muco estratto era di 1,4 ml, la soluzione da 400 mg/mL avrà un volume totale di ~ 2 ml.</li>
		<li>Posizionare il flaconcino di soluzione di muco da 400 mg/mL su uno shaker per assicurarsi che la soluzione di muco sia adeguatamente omogeneizzata e che qualsiasi agglomerato di particolato di muco sia mitigato.</li>
		<li>Preparare la seconda concentrazione della soluzione di muco, 200 mg/mL, prelevando metà del volume della soluzione di muco di prima concentrazione in un nuovo flaconcino utilizzando una micropipetta e aggiungendo 1 mL di acqua DI nel nuovo flaconcino.</li>
		<li>Ripetere il passaggio 1.2.2 per il primo e il secondo flaconcino con soluzioni di muco.</li>
		<li>Preparare la terza concentrazione della soluzione di muco, 100 mg/mL, prelevando metà del volume (1 mL) della soluzione da 200 mg/mL in un nuovo flaconcino utilizzando una micropipetta e aggiungendo acqua DI nel nuovo flaconcino.</li>
		<li>Ripetere la fase 1.2.2 per tutte e tre le concentrazioni di soluzioni di muco nei rispettivi flaconcini (vedere Figura 1 supplementare).</li>
		<li>Conservare i flaconcini di soluzione di muco in frigorifero fino a quando non viene eseguita la calibrazione e il test del reometro.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Misurazioni e acquisizione dati mediante reometro
NOTA: I software utilizzati in questo protocollo per il controllo dello strumento e l'acquisizione dati con reometro sono indicati nella Tabella dei materiali. Questo software sarà indicato come "software di controllo dello strumento del reometro".
<ol><li>Impostare e calibrare lo strumento reometro.<ol>
<li>Accendere l'alimentazione di aria compressa al reometro e assicurarsi che la tavola pneumatica e il reometro siano livellati utilizzando un misuratore di bolle. Togliere il cappuccio protettivo sull'albero del reometro e tenere fermo l'albero durante lo svitamento.</li>
		<li>Accendere gli interruttori principali del reometro per attivare i cuscinetti magnetici sul reometro.</li>
		<li>Accendere il computer di controllo del reometro con il software di controllo dello strumento del reometro installato al suo dentro e avviare il software di controllo dello strumento del reometro (vedere la Figura supplementare 2).</li>
		<li>Eseguire la calibrazione dello strumento selezionando le schede,'Calibrazione | Strumento' dalla finestra del software. Scegli l'opzione'Strumento'. Clicca su'Calibra'sotto'Inerzia'. Registrare il valore di calibrazione dell'inerzia dello strumento in μN.m.s2 e ripetere la calibrazione almeno 3 volte per assicurarsi che i valori di calibrazione siano entro il 10% l'uno dall'altro (vedere figura supplementare 3).</li>
	</ol></li>
	<li>Installare la geometria del reometro sull'albero del reometro.<ol>
<li>Fare clic sulla scheda'Geometrie'nel software di controllo dello strumento del reometro.</li>
		<li>Pulire il cono con la geometria desiderata(diametro 40 mm, cono 1 ◦0' 11'') e la piastra di Peltier con isopropanolo (vedere Tabella 1, Tabella dei materiali, Figura 1e Figura 2). NOTA: La piastra Peltier viene installata sul reometro; può essere pulito con isopropanolo mentre è fissato direttamente al reometro.</li>
		<li>Assicurarsi che il dispositivo della piastra Peltier sia privo di polvere visibile e pulito, se necessario, con isopropanolo. Installare la piastra Peltier se non è preinstallata nel reometro e collegare le connessioni del dissipatore di calore.</li>
		<li>Premere il 'pulsante diblocco ' sul reometro sull'albero di blocco collegato alla geometria del cono. Questo arresta la posizione dell'albero, ma può ruotare liberamente nella posizione.</li>
		<li>Clicca su'Smart Swap | Abilitato' nella scheda del software di controllo dello strumento reometro per consentire il rilevamento automatico della geometria (vedi Figura supplementare 4).</li>
		<li>Ruotare l'albero sulla parte superiore del reometro per avvitare la geometria. Il software rileverà la geometria dell'angolo del cono di 40 mm di diametro, 1◦ 0' 11 '' in questa fase (vedere Tabella 1 e Tabella dei materiali).</li>
		<li>Ripetere i passaggi 2.2.5 – 2.2.6 per assicurarsi che la geometria venga rilevata.</li>
		<li>Seleziona'Gap'sotto il'Pannellodi controllo' del software di controllo dello strumento reometro, fai clic sull'icona'Opzioni'e scegli l'opzione'Forza assiale'. Impostare la forza assiale su '1 Newton'; questo per garantire che la geometria del cono tocchi la piastra di Peltier per l'inizializzazione dello spazio zero (vedere figura supplementare 5).</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire la calibrazione della geometria del reometro.<ol>
<li>Selezionare la scheda 'Geometria' dalla finestra del software. Clicca su'Calibra'sotto'Inerzia'. Registrare il valore di calibrazione dell'inerzia geometrica in μN.m.s2 e ripeterlo 2-3 volte per assicurarsi che i valori di calibrazione siano entro il 10% l'uno dall'altro.</li>
		<li>Fare clic su'Calibra'sotto'Attrito'nella finestra del software. Registrare il valore di calibrazione dell'attrito geometrico in μN.m/(rad/s) e ripeterlo 2-3 volte per assicurarsi che i valori di calibrazione siano entro il 10% l'uno dall'altro (vedere figura supplementare 6).</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire l'inizializzazione zero-gap NOTA: poiché la geometria non può essere sollevata con precisione sopra la piastra di Peltier per eseguire misurazioni senza una posizione "zero" di riferimento, viene eseguita l'inizializzazione zero-gap. Ai fini della misurazione, la geometria ha uno spazio geometrico incorporato di 24 μm e uno spazio di assetto di 28 μm. Lo spazio di assetto è impostato per pulire efficacemente il fluido in eccesso che potrebbe fuoriuscire al di fuori della superficie della geometria. Queste lacune sono indispensabili per misurare con precisione i dati utilizzando il campione e il reometro. Il passaggio 2.4.1 è assolutamente necessario per assicurarsi che la geometria sia impostata su zero gap per ottenere la geometria e gli spazi di taglio di 24 μm e 28 μm, rispettivamente.<ol>
<li>Fai clic sull'icona'Zero gap'sotto la scheda'Gap'nel'Pannello di controllo'nella finestra del software. L'inizializzazione è completa quando la forza assiale sperimentata dalla geometria è maggiore o uguale a 1 N, in quanto tocca la piastra di Peltier. Assicurarsi che lo spazio del reometro sia azzerato in modo che la sua posizione di riferimento sia accurata (vedere la figura supplementare 7 e la figura supplementare 8).</li>
		<li>Premere i controlli 'freccia su e giù' sullo strumento reometro o 'geometria alza e abbassa' icone sotto la scheda 'Gap' nel software di controllo dello strumento reometro per aumentare la geometria a qualsiasi altezza arbitraria. La schermata di controllo sullo strumento reometro e il pannello di controllo del software di controllo dello strumento reometro visualizzeranno la (stessa) altezza dello spazio.</li>
	</ol></li>
	<li>Impostare la procedura sperimentale nel software di controllo dello strumento reometro. Eseguire la caratterizzazione delle proprietà reologiche utilizzando una geometria a piastra di cono su Peltier a 22 °C. NOTA: Il sito web dell'US Geological Survey è stato utilizzato per accertare la temperatura dell'acqua del fiume Il 20 settembre 2018, quando la carpa argentata utilizzata per gli esperimenti di muco GR è stata pescata nella posizione di Hart Creek36. La temperatura del muco può influenzare le proprietà reologiche. Il significato di regolare i valori alla temperatura del fiume è quello di corrispondere approssimativamente alla temperatura sotto la quale le proprietà del muco possono essere realisticamente stimate.<ol>
<li>Seleziona la scheda'Esperimenti'nel software di controllo dello strumento reometro e inserisci le informazioni pertinenti come'Nome','Operatore','Progetto'ecc.  (cfr. figura 9 supplementare)</li>
		<li>Selezionare la scheda 'Geometria' e assicurarsi che le informazioni siano conformi ai passaggi 2.2.5. - 2.2.7. (cfr. figura 10 supplementare).</li>
		<li>Selezionare la scheda''Procedura',e utilizzare i tasti freccia impostare '1: Ampiezza di oscillazione' procedura. (cfr. figura 11 supplementare).</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di'Controllo ambientale'come segue: 'Temperatura = 22 °C'; 'Tempo di ammollo = 120 s' e selezionare la casella 'Attendi la temperatura' (vedi Figura supplementare 11).</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di 'Parametri di test' come segue: 'Frequenza = 1 Hz'; impostare 'Sweep logaritmico'; «Coppia = da 10 a 10000 μN.m»; «Punti per decennio = 5» (cfr. figura supplementare 11).</li>
	</ol></li>
	<li>Impostare l'esperimento per determinare il lineare viscoelastico range (LVR) del muco di concentrazione nota (100 mg/mL)<ol>
<li>Utilizzando un'appropriata micropipetta e punta della pipetta si aspirano circa 0,3 mL di soluzione di muco di pesce di concentrazione 100 mg/mL (vedere Fase 1.2, Tabella dei materiali).</li>
		<li>Introdurre la soluzione di muco sulla piastra di Peltier usando la micropipetta (vedere Figura 2).</li>
		<li>Premere il pulsante'Trim Gap'sul reometro per abbassare la geometria sulla piastra peltier. In alternativa, fare clic sull'icona'Trim Gap'sotto la scheda'Gap'nell'opzione'Pannello di controllo'nel software di controllo dello strumento reometro (vedere Figura supplementare 12).</li>
		<li>Utilizzare la micropipetta con la punta della pipetta per rimuovere qualsiasi soluzione di muco in eccesso e assicurarsi che il fluido si trova sotto la geometria senza fuoriuscite vicino alla periferia della geometria. NOTA: il caricamento improprio del fluido porterà a errori nelle misurazioni. Il campione sotto riempito ridurrà la distribuzione della coppia e il campione sovrasempito porterà a distribuzioni di stress errate a causa della fuoriuscita lungo i bordi.</li>
		<li>Selezionare alternativamente le schede'Motor'e 'Velocity' a 5 rad/s e 0 rad/s, fino a quando non c'è inerzia e velocità minime nel campione sotto la geometria. La schermata di controllo sullo strumento reometro e il pannello di controllo del software di controllo dello strumento reometro visualizzeranno la velocità (vedere figura supplementare 13).</li>
		<li>Premere il pulsante'Geometry Gap'sul reometro per abbassare la geometria allo spazio adatto preimpostato per geometria specifica. In alternativa, fare clic sull'icona'Geometry Gap'sotto la scheda'Gap'nell'opzione'Pannello di controllo'nel software di controllo dello strumento reometro (vedere figura supplementare 14).</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire l'esperimento per determinare l'intervallo viscoelastico lineare (LVR) del muco della concentrazione nota (100 mg / mL).<ol>
<li>Fare clic sull'icona'Start'sul software di controllo dello strumento del reometro (vedere la Figura supplementare 15). NOTA: Il reometro esegue misurazioni automatiche; una volta premuto il pulsante'Start',il reometro impiegherà circa 20 minuti per completare il test. L'impostazione "Punti per decennio" nel passaggio 2.5.5 determina quanto tempo avrà bisogno il reometro per completare le misurazioni.</li>
		<li>Esegui l'esperimento facendo clic su "Sì" nella finestra pop-up che appare e suggerisce che lo spazio geometrico venga abbassato alla distanza corretta per iniziare l'esperimento, se non già abbassato.</li>
		<li>Osservare il grafico in tempo reale generato dal reometro che riporta i moduli di stoccaggio (G') e perdita (G''). NOTA: G' e G' sono rispettivamente i moduli di stoccaggio e perdita. Il modulo di stoccaggio rappresenta la tendenza del materiale a recuperare la sua forma originale a seguito di deformazioni indotte da sollecitazioni ed è equivalente all'elasticità. Il modulo di perdita rappresenta la misura in cui il materiale resiste alla tendenza al flusso ed è rappresentativo della viscosità del fluido (vedi Figura 4).</li>
		<li>Impostate l'asse X del plottaggio su 'Percentuale di deformazione dell'oscillazione'. Per fare ciò, fare clic con il pulsante destro del mouse sul grafico presentato e scegliere lascheda 'Variabili grafico' (vedere Figura supplementare 16).</li>
		<li>Registrare l'intervallo percentuale di deformazione dell'oscillazione dal grafico prima che il materiale entri nell'intervallo viscoelastico non lineare, una volta completato il test.</li>
		<li>Premere i controlli 'freccia su e giù' sullo strumento del reometro o le icone 'geometry raise and lower' sotto la scheda 'Gap' nel software di controllo dello strumento del reometro per elevare la geometria a qualsiasi altezza arbitraria sopra la piastra di Peltier.</li>
		<li>Salvare il file che contiene sia la procedura sperimentale che i risultati nel formato di file nativo del software di controllo dello strumento reometro per accertare la regione viscoelastica lineare (LVR) del campione di muco. NOTA: questo può essere fatto impostando l'asse X del grafico sull'ampiezza di deformazione (%) e/o sulla sollecitazione di <img alt="Equation omega" src="/files/ftp_upload/61379/61379eqomega.jpg" style="font-size: 14px;"> oscillazione prima che i dati entrino nella regione viscoelastica non lineare (NLVR) (vedere figura supplementare 16).</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire gli sweep dinamici e gli esperimenti di prova del flusso di taglio allo stato stazionario in Linear Viscoelastic Range (LVR) per il muco di concentrazione nota 100, mg / mL per generare risultati da tre campioni di muco indipendenti di 100 mg / mL. Eseguire questi passaggi sui campioni di concentrazione di muco disponibili singolarmente.<ol>
<li>Ripetere i passaggi 2.5.1 – 2.5.4.</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di 'Parametri di test' come segue: 'Frequenza = 1 Hz'; impostare 'Sweep logaritmico'; «Ceppo % = da 100 a 10000 %; 'Punti per decennio = 10'.</li>
		<li>Seleziona la scheda'Procedura'e usa i tasti freccia impostati sulla procedura '2: Frequenza di oscillazione'.</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di'Controllo ambientale'come segue: 'Temperatura = 22 °C'; 'Tempo di ammollo = 0,0 s'.</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di'Parametri di prova'come segue: 'Strain % = 1 %'; impostare 'Sweep logaritmico'; «Frequenza = da 20 a 1 Hz»; 'Punti per decennio = 10'.</li>
		<li>Selezionare la scheda'Procedura'e utilizzare i tasti freccia impostare la procedura '3: Flow Sweep'.</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di'Controllo ambientale'come segue: 'Temperatura = 22 °C'; 'Tempo di ammollo = 0,0 s'.</li>
		<li>Inizializzare le impostazioni di 'Parametri di prova' come segue: 'Velocità di taglio = da 1 a 10000 1/s'; «Punti per decennio = 10»; casella di controllo 'Rilevamento dello stato stazionario'.</li>
		<li>Ripeti i passaggi 2.7.1 – 2.7.2 e attendi fino al completamento dell'esperimento, circa 45 minuti.</li>
		<li>Premere i controlli 'freccia su e giù' sullo strumento reometro o le icone 'geometry raise and lower' nella scheda 'Gap' nel software di controllo dello strumento reometro per elevare la geometria a qualsiasi altezza arbitraria.</li>
		<li>Utilizzare salviette e guanti monouso per rimuovere e pulire il muco sulla piastra di Peltier con soluzione di isopropanolo (vedere Tabella dei materiali).</li>
		<li>Salvare il file che contiene sia la procedura sperimentale che i risultati nel formato di file nativo del software di controllo dello strumento del reometro.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Ripetere il protocollo per altre concentrazioni di soluzioni di muco di 200 mg/mL e 400 mg/mL.
<ol><li>Eseguire i passaggi 2.5 – 2.8 includendo tutte le sotto-fasi ivi elencate per le restanti due concentrazioni di soluzioni di muco, 200 mg / mL e 400 mg / mL.</li>
</ol>4. Rappresentazione grafica e analisi dei dati
NOTA: il codice fornito nel file di codice supplementare esegue la media dei dati e genera errori di ripetibilità, sovrappone i dati di tutti gli esperimenti. Le funzioni di calcolo della deviazione standard non sono disponibili nel software di controllo dello strumento del reometro. Il codice è scritto in un linguaggio di programmazione per l'analisi dei dati, la post-elaborazione e la rappresentazione grafica (vedi Tabella dei materiali per i dettagli).
<ol><li>Esportare i dati generati dal passo 2.8 relativo alla concentrazione di muco 100 mg/mL GR e dal passo 3.1 relativo alle concentrazioni di muco 200 mg/mL e 400 mg/mL GR in formato foglio di calcolo facendo clic sulla scheda 'File | Esporta | Excel' nel software di controllo dello strumento reometro (vedi Figura supplementare 17).</li>
	<li>Eseguire codici supplementari per generare grafici di viscosità apparente (η) per velocità di deformazione di taglio variabili ( <img alt="Equation y" src="/files/ftp_upload/61379/61379eqy.jpg"> ) e modulo di perdita (G), modulo di stoccaggio (G') e angolo di fase (δ) per variare lo stress di oscillazione ( ) e <img alt="Equation omega" src="/files/ftp_upload/61379/61379eqomega.jpg"> generare risultati rappresentativi.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Cohen, K. E., Hernandez, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+complex+trophic+anatomy+of+silver+carp,+Hypophthalmichthys+molitrix,+highlighting+a+novel+type+of+epibranchial+organ.">The complex trophic anatomy of silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, highlighting a novel type of epibranchial organ.</a> Journal of Morphology. 279, 1615-1628 (2018).</li><li>Cohen, K. E., Hernandez, L. 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Nessun conflitto di interessi dichiarato.

Uno degli obiettivi principali dello sviluppo di questo protocollo è quello di stabilire che è adatto per la caratterizzazione reologica del muco GR quando sono disponibili volumi di campione molto piccoli. Riconosciamo che sono necessari più campioni da una scuola di carpa argentata per caratterizzare pienamente le proprietà reologiche del muco GR e i dati qui presentati non sono una generalizzazione sull'intera popolazione di carpe argentee. La nostra tecnica è giustificata dalla sua efficacia con la caratterizzaz...

La carpa argentata, Hypophthalmichthys molitrix, è un alimentatore filtrante planctivoro e una specie invasiva che si è infiltrata in diversi corsi d'acqua naturali negli Stati Uniti. Questa specie è stata inizialmente introdotta nel bacino superiore del fiume Mississippi per controllare le fioriture algali1,2,3. La carpa argentata è un alimentatore estremamente efficiente. Tipicamente, le sue dimensioni delle particelle alimentari consumabili vanno da 4 a 20 μm a zooplancton più grandi che sono circa 80 μm3,4,5. Questa specie ha superato altri pesci nativi e può potenzialmente causare enormi danni ai corsi d'acqua nativi limitando le risorse disponibili1,2,6. Pertanto, l'alimentazione del filtro di pesci come la carpa argentata e la carpa bighead rappresentano una grave minaccia per i Grandi Laghi1,2,6,7,8.
I pesci che si nutrono di filtri possiedono organi speciali chiamati rastrellatori branchiali (GRI) con un sottile strato di muco che risiede sulla loro superficie. Questi organi migliorano l'efficienza della filtrazione e dell'aggregazione di piccole particelle dal fluido in entrata. L'obiettivo del protocollo qui presentato è quello di caratterizzare la proprietà non newtoniana del materiale di assottigliamento del taglio e lo stress di resa del muco GR acquisito dalla superficie interna dei rastrelli branchiali nella carpa argentata. Il valore dello stress di resa del GR-muco, accertato utilizzando un reometro rotazionale, è di interesse in questo studio. La tensione di snervamento misurata, chiamata anche "tensione di snervamento apparente", dipende dai metodi di prova come la velocità di taglio costante o la deformazione oscillatoria dinamica di tipo9,10. Il diradamento di taglio, "fluido di snervamento- stress", subisce una transizione dal comportamento solido a quello simile a quello liquido a una sollecitazione critica applicata9,11. Lo sforzo di snervamento apparente è lo sforzo di taglio minimo richiesto per avviare il flusso o quello in cui si osserva per la prima volta una deformazione plastica irreversibile quando il muco passa da un materiale gelatinoso a un materiale simile al fluido. Questo comportamento può essere osservato in materiali viscoelastici strutturati. La transizione dal comportamento gelatinoso a quello fluido del muco GR comporta due funzioni, ovvero un ruolo adesivo per raccogliere le particelle alimentari e un ruolo di veicolo di trasporto per assistere nel processo di consegna e filtrazione del particolato. La funzione estesa del muco include la creazione di barriere di diffusione nella resistenza alle malattie e nella respirazione, fornendo un rilascio controllato di fattori nutrizionali, componenti tossici ed escrezione, creando vie metaboliche per l'alimentazione e la nidificazione, aiutando nella protezione dei predatori e producendo modifiche dello strato limite che migliorano la locomozione e l'efficienza propulsiva12,13,14.
A differenza dei fluidi semplici, i fluidi complessi come il muco possiedono proprietà che variano con le condizioni di flusso e richiedono parametri di misurazione aggiuntivi per definire il loro comportamento fisico su scala di massa. Per monitorare la viscosità e lo stress di snervamento del muco GR, le misurazioni reologiche vengono eseguite utilizzando un reometro rotazionale. Il reometro rotazionale applica una sollecitazione o una deformazione di taglio costante o oscillatoria per mezzo di un disco rotante a contatto con il campione di fluido e ne misura la risposta. La logica alla base dell'utilizzo di questo strumento e tecnica è che il reometro può fornire una serie di misurazioni per descrivere le proprietà del materiale del muco GR della carpa argentata, che non può essere definito dalla sola viscosità.
Il muco è un materiale viscoelastico e la sua risposta meccanica ad una deformazione imposta è compresa tra quella di un solido puro (governato dalla legge di elasticità di Hooke) e quella di un liquido puro (governato dalla legge di viscosità di Newton)15,16. La complessa rete macromolecolare contenuta all'interno del muco può allungarsi e riorientarsi in risposta a forze esterne o deformazioni. Un reometro rotazionale è costituito da una geometria a cono e da una piastra di Peltier, come mostrato in Figura 1 e Figura 2 (vedere Tabella 1 per le specifiche della strumentazione). L'obiettivo di questo studio era quello di sviluppare un protocollo per determinare le proprietà reologiche del muco GR. Un vantaggio del reometro rotazionale rispetto a un viscosimetro è la sua capacità di effettuare misurazioni dinamiche utilizzando piccoli volumi di campione. Il volume del campione di muco GR in questo studio era di circa 1,4 ml. Il viscosimetro, d'altra parte, è limitato a velocità di taglio costanti e richiede grandi volumi di campione.
Si prevede che le proprietà reologiche del muco varieranno notevolmente all'interno dell'anatomia della carpa argentata. Ad esempio, le proprietà del muco che risiede sulle superfici GR possono essere diverse dall'organo epibranchiale. Per tenere conto della potenziale variabilità delle proprietà del muco in diverse regioni del pesce, il campione di muco GR acquisito è stato diluito e sono state create e testate soluzioni di tre concentrazioni utilizzando il reometro rotazionale. I dati e i risultati relativi alla reologia del muco riportati dopo l'esecuzione del protocollo hanno dimostrato l'efficacia della tecnica di misurazione. I dati illustrativi presentati in questo documento non sono destinati ad essere generalizzati all'intera popolazione di carpe argentate. Il protocollo qui presentato può essere esteso per studiare la reologia del muco su set di campioni più grandi per testare altre ipotesi.
Lo scopo di questo studio è dimostrare la variazione delle proprietà reologiche della reologia del muco GR con tre diverse concentrazioni di muco (400 mg/mL, 200 mg/mL e 100 mg/mL). La concentrazione di 400 mg/mL rappresenta il campione di muco crudo raccolto dai PR del pesce. L'acqua deionizzata (DI) è stata utilizzata per diluire il campione di muco crudo in concentrazioni di 200 mg/mL e 100 mg/mL. La diluizione dei campioni di muco ha permesso la valutazione del grado di assottigliamento del taglio e dello stress di resa apparente in funzione della concentrazione e la determinazione della concentrazione alla quale il muco GR passa al comportamento non newtoniano. Uno shaker è stato utilizzato per abbattere eventuali grandi grumi di muco nei campioni per mitigare gli errori nei dati reologici dovuti alla disomogeneità.
Nella maggior parte dei vertebrati, compresi i pesci, le macromolecole predominanti che formano muco sono glicoproteine (mucine) che tendono a gonfiarsi in acqua per intrecci o reticolazione chimica e creano un materiale gelatinoso12,13,17,18,19,20. Le macromolecole ad alto peso molecolare, che formano gel e l'alto contenuto di acqua riflettono la scivolosità nelmuco 13. Un alto grado di interazioni inter-macromolecolari porta alla formazione di gel, mentre livelli più bassi di interazioni inter-macromolecolari o legami rotti provocano fluidi ad alta viscosità21.
I processi di filtrazione del particolato alimentare nell'alimentazione del filtro per pesci sono aiutati da proprietà legate al muco GR come la coesione e la viscosità che determinano il suo potenziale di adesione e tack22. La forza dell'adesione a base di muco dipende da specifiche interazioni intermolecolari, elettrostatiche o idrofobiche23. Sanderson et al.24 hanno condotto uno studio sull'alimentazione in sospensione nel pesce nero in cui hanno trovato le prove dell'adesione a base di muco. Hanno affermato che l'adesione di particolati alimentari sospesi con una superficie mucosale è seguita dal trasporto di grumi aggregati di particelle legate insieme al muco da un flusso d'acqua diretto che agisce su di esso24. Il muco esposto a velocità di taglio generate dal flusso d'acqua facilita la consegna di particolato alimentare agli organi digestivi. Le tecniche endoscopiche sono state utilizzate per osservare le particelle filtrate24.
La letteratura sulla gamma di velocità di taglio e limiti pratici nei test reologici del muco GR è scarsa. Pertanto, è stata richiesta una guida da studi reologici su muco gastrico, nasale, cervicale e polmonare, muco della pelle di salmone, melma di hagfish e lubrificante superficiale osseo-articolare in cui sono stati studiati la caratterizzazione reologica e gli attributi non newtoniani11,12,25, 26,27,28,29,30,31. Più recentemente, l'effetto del muco della pelle di pesce sulla locomozione e sull'efficienza propulsiva è stato studiato utilizzando la viscosimetria a velocità di taglio costante. Studi di reologia del muco cutaneo (senza alcuna diluizione o omogeneizzazione) relativi a orate, spigole e magre hanno dimostrato un comportamento non newtoniano a velocità di taglio tipicamente basse14.  In un altro studio correlato, i campioni di muco della pelle grezza dai lati dorsale e ventrale della sogliola senegalese sono risultati esibire un comportamento non newtoniano, indicando una maggiore viscosità del muco ventrale a tutte le velocità di taglio considerate32. Altri protocolli reologici relativi allo sviluppo dello scaffold idrogel e per sospensioni altamente concentrate mediante viscosimetro a velocità di taglio costante sono stati riportati anche in letteratura33,34.
In questo studio, le proprietà del muco GR sono state studiate utilizzando un reometro rotazionale controllato dalla velocità di deformazione che è stato ampiamente utilizzato in esperimenti di reologia su fluidi biologici complessi25. Per i fluidi newtoniani, la viscosità apparente rimane costante, è indipendente dalla velocità di taglio e le sollecitazioni di taglio variano linearmente con le velocità di deformazione di taglio (Figura 3A, B). Per i fluidi non newtoniani (come i fluidi di assottigliamento del taglio) la viscosità è dipendente dalla velocità di taglio o dalla storia della deformazione (Figura 3A, B). Il modulo di perdita (G") rappresenta la misura in cui il materiale resiste alla tendenza al flusso ed è rappresentativo della viscosità del fluido (Figura 4). Il modulo di stoccaggio (G') rappresenta la tendenza del materiale a recuperare la sua forma originale a seguito di deformazioni indotte da sollecitazioni ed è equivalente all'elasticità (Figura 4). L'angolo di fase (δ) o valore tangente di perdita, è calcolato dalla tangente inversa di G"/G'. Rappresenta l'equilibrio tra perdita di energia e stoccaggio ed è anche un parametro comune per caratterizzare i materiali viscoelastici (δ = 0° per un solido di Hookean; δ = 90° per un liquido viscoso; δ < 45° per un solido viscoelastico e δ > 45° per un liquido viscoelastico) (Figura 4)25. La tensione di snervamento apparente (σy) nei fluidi strutturati rappresenta un cambiamento di stato che può essere osservato nei dati reologici da sweep allo stato stazionario e sweep dinamici stress-deformazione10. Se la sollecitazione esterna applicata è inferiore alla sollecitazione di snervata apparente, il materiale si deformerà elasticamente. Quando la sollecitazione supera la sollecitazione di snervamento apparente (contrassegnata come "sollecitazione media" nella Figura 3B), il materiale passerà dalla deformazione elastica a quella plastica e inizierà a fluire allo stato liquido35. La misurazione del modulo di stoccaggio (G') e del modulo di perdita (G") nel campione di muco in condizioni di stress oscillatorio (o deformazione) quantifica il cambiamento dello stato materiale dal comportamento gelatinoso a quello viscoelastico simile al liquido.
I tipi di prove reometriche eseguite per monitorare i dati relativi al modulo di memorizzazione (G'), al modulo di perdita (G") e alla viscosità apparente (η) sono qui descritti. I test di oscillazione dinamica (sweep di deformazione e sweep di frequenza) hanno monitorato G' e G" sotto oscillazione controllata della geometria del cono. I test dinamici di deformazione hanno determinato la regione viscoelastica lineare (LVR) del muco monitorando la risposta intrinseca del materiale (Figura 4). Le sweep di deformazione sono state utilizzate per determinare il comportamento di resa a frequenza e temperatura di oscillazione costanti. I test di sweep a frequenza dinamica hanno monitorato la risposta del materiale all'aumento della frequenza (velocità di deformazione) a un'ampiezza costante (deformazione o sollecitazione) e temperatura. La deformazione è stata mantenuta nella regione viscoelastica lineare (LVR) per i test di sweep a frequenza dinamica. I test della velocità di taglio allo stato stazionario hanno monitorato la viscosità apparente (η) sotto rotazione costante della geometria del cono. Il muco GR è stato sottoposto a fasi di sollecitazione incrementali e la viscosità apparente (η, Pa.s) è stata monitorata per la variazione della velocità di taglio (ý, 1/s).
Il protocollo presentato in questo articolo tratta il muco GR come un materiale strutturato complesso di viscoelasticità sconosciuta con un certo intervallo di risposta viscoelastica lineare. Il muco del pesce è stato estratto dai GRI della carpa argentata durante una spedizione di pesca nella posizione del torrente Hart nel fiume Missouri dalla professoressa L. Patricia Hernandez (Dipartimento di Scienze Biologiche, The George Washington University) 1,2,36.  Una matrice di GRI all'interno della bocca di una carpa argentata è mostrata nella Figura 5A e un disegno schematico è presentato nella Figura 5B. Un GR asportato è mostrato nella Figura 5C.  L'estrazione del muco dai GRI della carpa argentata è presentata come esempio nei disegni schematici, Figura 5D,E. Tutte le prove del reometro sono state eseguite a temperatura costante e controllata di 22 ± 0,002 °C, la temperatura registrata nel sito di pesca1,2,36.  Ogni campione di muco è stato testato tre volte con il reometro e i risultati medi sono presentati insieme alle barre di errore statistiche.

<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

La carpa argentata, Hypophthalmichthys molitrix,è un pesce filtrante planctivoro invasivo che ha infestato i corsi d'acqua naturali del bacino superiore del fiume Mississippi grazie al suo meccanismo di alimentazione del filtro altamente efficiente. Gli organi caratteristici chiamati rastrellatori branchiali (GRI), che si trovano in molti di questi filtratori, facilitano la filtrazione efficiente di particelle di cibo come il fitoplancton che hanno dimensioni di pochi micron.
La motivazione per indagare la reologia del muco GR deriva dal nostro desiderio di capire il suo ruolo nell'aiutare il processo di alimentazione del filtro nella carpa argentata. Il fluido ricco di muco, in uno stato "denso e appiccicoso" può facilitare l'adesione del particolato alimentare. La permeazione e il trasporto attraverso la membrana GR sono facilitati dall'azione di forze di taglio esterne che inducono velocità di deformazione al taglio variabili. Pertanto, la reologia del muco può fornire un indizio vitale sulla tremenda natura di outcompeting della carpa argentata all'interno del pool di pesci che alimentano il filtro. Sulla base di ciò è stato ipotizzato che il muco GR possa fornire una funzione adesiva alle particelle alimentari e fungere da veicolo di trasporto per assistere nel processo di alimentazione del filtro.
L'obiettivo principale del protocollo è determinare lo stress di snervamento del muco, attribuito allo sforzo minimo di taglio richiesto per avviare il flusso al quale si osserva per la prima volta una deformazione plastica irreversibile attraverso un materiale viscoelastico strutturato. Di conseguenza, le proprietà reologiche del muco GR, cioè viscosità, stoccaggio e moduli di perdita, sono state studiate per la sua natura non newtoniana, di assottigliamento del taglio utilizzando un reometro rotazionale.
Un protocollo qui presentato è impiegato per analizzare le proprietà reologiche del muco estratto dai rastrellatori branchiali di una carpa argentata, pescato nella posizione di Hart Creek del fiume Missouri. Il protocollo mira a sviluppare una strategia efficace per i test reologici e la caratterizzazione materiale del muco assunto come materiale viscoelastico strutturato.

In questa sezione presentiamo i risultati degli esperimenti sul muco GR utilizzando un reometro rotazionale con geometria a cono (diametro 40 mm, 1° 0' 11'') e una piastra di Peltier. Gli esperimenti hanno contribuito a caratterizzare il comportamento non newtoniano di assottigliamento al taglio del muco GR e l'apparente stress di resa che raffigura la transizione del muco da un materiale simile al gel a un materiale simile a un fluido. I risultati rappresentativi comportano descrizioni quantitative dei limiti di coppia...

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

Questo protocollo presenta un metodo per eseguire la caratterizzazione reologica del muco che risiede sui rastrellatori branchiali (GRI) della carpa argentata. Le caratteristiche viscoelastiche del GR-muco, ottenute misurando la viscosità, lo stoccaggio e i moduli di perdita, vengono valutate per l'apparente stress di snervamento per comprendere il meccanismo di alimentazione del filtro nelle GR.

Caratterizzazione macro-reologica del muco Gill Raker nella carpa argentata, 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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

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

3.0K Views.  The George Washington University. Questo protocollo presenta un metodo per eseguire la caratterizzazione reologica del muco che risiede sui rastrellatori branchiali (GRI) della carpa argentata. Le caratteristiche viscoelastiche del GR-muco, ottenute misurando la viscosità, lo stoccaggio e i moduli di perdita, vengono valutate per l'apparente stress di snervamento per comprendere il meccanismo di alimentazione del filtro nelle GR.

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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.

Un metodo per fabbricare nanostrutture d&#39;argento disconnesse in 3D

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

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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.

Valutare plasmoniche Trasporti in Current-carrying Argento Nanowires

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.

Caratterizzazione dei Trasporti termali in materiali solidi monodimensionali

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.

Costruzione e caratterizzazione di cavità esterne diodi laser per la Fisica Atomica

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.

Caratterizzazione degli effetti di ricombinazione in una ionizzazione Camera liquido utilizzato per la dosimetria di un Acceleratore radiochirurgico

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.

Patterning via ottici saturabili Transitions - fabbricazione e la caratterizzazione

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 per Rapid III-V eteroepitassiale Caratterizzazione

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.

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

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.

Produzione di sintetico Nucleare Melt Glass

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.

Un metodo di fabbricazione di conduttori è molto estensibile con argento Nanofili

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