JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Biz özel olarak oluşturulmuş bir mekanik test aygıtı kullanarak alt milimetre ölçek lifler üzerinde üç sayılık bükme testleri gerçekleştirmek için bir protokol mevcut. Cihazın Kuvvetleri en fazla 10 N 20 µN kadar ölçebilir ve bu nedenle çeşitli lif boyutları hizmet verebilir.

Özet

Çok biyolojik yapıları (LBBSs) taşıyan yükleme — tüy rachises ve spicules gibi — küçük (< 1 mm) ama değil mikroskobik. Bu LBBSs bükülme davranışını ölçme kökenleri dikkate değer mekanik işlevlerini anlamak için önemlidir.

Üç nokta bükme test ölçebilirsiniz özel olarak oluşturulmuş bir mekanik test aygıtı kullanarak performans 10-5 101 N talebiyle 10-7 10-2 m arasında değişen çeşitli zorlar için bir protokol açıklar. Mekanik test cihazlarıyla birincil avantajı kuvvet ve yer değiştirme kapasiteleri farklı LBBSs için kolaylıkla ayarlanabilir olmasıdır. Cihazın çalışma prensibi bir Atomik kuvvet mikroskobu, benzer. Yani, güç LBBS için bir konsol sonu iliştirilmiş bir yükleme noktası tarafından uygulanır. Yükleme noktası deplasman bir fiber optik deplasman algılayıcı ile ölçülmüş ve ölçülen prensibine göre sertlik kullanarak bir güç dönüştürülür. Cihazın güç aralığı farklı stiffnesses cantilevers kullanılarak ayarlanabilir.

Yetenekleri deniz sünger Euplectella aspergillumiskelet öğeleri üzerinde üç sayılık bükme testleri gerçekleştirerek gösterildiği. İskelet öğeleri — spicules bilinen — yaklaşık 50 µm çapı olan silis iplikleri. Biz spicules bir üç nokta bükme fikstür bir ≈1.3 mm aralığı ile montaj mekanik test aygıtın ayarlanması için yordamlar açıklar ve bir bükme performans test edin. İğne ve onun saptırma uygulanan kuvvet bulunduğu konumda uygulanan kuvvet ölçülür.

Giriş

Biyolojik yapıları (LBBSs), shell ve kemik gibi taşıyıcı mimarileri inceleyerek, mühendisler güçlü ve sert 1yeni kompozit malzemeler geliştirdik. Bu olağanüstü mekanik özellikleri, LBBSs ve biyo-ilham karşılıkları onların karmaşık iç mimarileri 2' ye ilişkilidir gösterilmiştir. Ancak, LBBS mimarileri ve mekanik özellikleri arasındaki ilişkileri tam olarak anlaşılmış değildir. Bir LBBS'ın mekanik yanıt ölçme nasıl mimarisi mekanik özelliklerini geliştirir anlamak doğru ilk adımdır.

Ancak, bir LBBS'ın mekanik yanıt ölçmek için kullanılan test türü ile mekanik işlevini tutarlı olması önemlidir. Tüyler aerodinamik yükler desteklemesi gerekir beri Örneğin, bir tüy rachis birincil işlevi bükülme sertliği 3sağlamaktır. Bu nedenle, bir bükme testi onun mekanik yanıt ölçmek için bir uniaxial gerilim test için tercih edilir. Aslında, birçok LBBSs — gibi tüy rachises 3, 4ve spicules 5,6,7,8çim kaynaklanıyor — öncelikle bükme tarafından delmeyin. Bunun nedeni bu LBBSs ince —Yani, uzunlukları genişlik ve derinlik çok daha büyük. Kuvvetler ve onlar daha önce başarısız olan dayanabilir talebiyle 10-2 10'a değişir çünkü ancak, bu LBBSs üzerinde bükme testleri gerçekleştirme zordur2 N ve 10-4 ile 10-3 m, sırasıyla 3 , 4 , 5 , 7 , 8. sonuç olarak, bu mekanik testleri gerçekleştirmek için kullanılan bir aygıttan kuvvet ve Deplasman olarak ≈10-5 N ve ≈10-7 m (yani, % 0,1 oranında sensör ölçülebilir maksimum güç ve öteleme), sırasıyla sahiptir.

Piyasada bulunan, büyük ölçek, mekanik test sistemleri genellikle güçleri ve talebiyle ile bu kararlılık ölçemezsiniz. Atomik kuvvet mikroskobu tabanlı 9,10 veya Mikroelektromekanik 11 tabanlı sistemler test cihazları yeterli çözünürlüğe sahip, onlar ölçmek maksimum güç (ilgili uzaklık) daha küçük iken LBBS dayanabilir maksimum güç (ilgili uzaklık). Bu nedenle, bu LBBSs, mühendisler ve bilim adamları bükme testleri gerçekleştirmek için özel olarak oluşturulmuş mekanik test cihazları 5,7,12,13tarihinde güvenmek gerekir. Özel olarak oluşturulmuş bu cihazlar birincil avantajı kuvvetler ve talebiyle büyük aralıkları hizmet verebilir olmasıdır. Ancak, inşaat ve işletme bu cihazların değil de belgelerde yer literatürde.

Üç nokta bükme test ölçebilirsiniz özel olarak oluşturulmuş bir mekanik test aygıtı kullanarak performans 10-5 101 N talebiyle 10-7 10-2 m arasında değişen çeşitli zorlar için bir protokol tanımlanır. Teknik çizimler, mekanik test aygıt bileşenlerinin tüm boyutları da dahil olmak üzere ek malzeme temin edilmektedir. Mekanik test cihazlarıyla birincil avantajı kuvvet ve yer değiştirme aralıkları kolaylıkla farklı LBBSs uyacak şekilde ayarlanabilir olmasıdır. Cihazın çalışma prensibi bir Atomik kuvvet mikroskobu 9için benzer. Bu cihazda bir örnek bir paslanmaz çelik plaka kesim bir siper boyunca yerleştirilir (bkz. şekil 1A-C). Hendek yayılımı 1278 ± 3 µm olmak optik Filmler ölçülür (ortalama ± standart sapma; n = 10). Hendek kenarları numune bükme test sırasında (bkz: şekil 1 cve D) destekler. Bu örnek sahne bir üç eksenli çeviri Sahne Alanı'na bağlı ve kama Trench'in span midway bulunur bir alüminyum kama altında konumlandırılmış (bkz. şekil 1C). Sahneye taşıyarak figure-introduction-4169 (bkz: şekil 1A, ve C), numune eğmek için örnek neden kama itilir.

Biz takoz yükleme noktası uç (LPT) ve kama (LP) yükleme noktası olarak içeren aygıtı bileşeni olarak bakın. LP kimin deplasman fiber optik deplasman algılayıcı (FODS) tarafından ölçülür bir konsol sonuna eklenir. FODS LP üst yüzeyinde bulunan bir ayna kapalı yansıyan kızılötesi ışık yayar (bkz. şekil 1B) ve FODS bir optik lif tarafından alınan. Bir ≈5 mm kare parça parlak silikon gofret LP ayna olarak kullanılır ve epoksi kullanarak LP yapıştırılmış. FODS talebiyle yoğunluklarda verilmiş ve yansıyan ışık karşılaştırarak ölçer. Prensibine göre sertlik ve deplasman güç hesaplamak için kullanılan figure-introduction-5024 , kama numune ile etkileşimi nedeniyle tarafından deneyimli. Prensibine göre deplasman da numune'nın kesit kama altında çıkarılması hesaplamak için kullanılan figure-introduction-5255 . Mikro ve makro ölçekli mekanik test çalışmaları 10,11,12,13,14bir dizi konsol tabanlı kuvvet sensörleri kullanılmaktadır. Burada sunulan özel tasarım yapışkanlı kişi deneyler 14gerçekleştirmek için kullanılan mekanik test cihazı adapte. Benzer bir tasarım bir piyasada bulunan mikro-tribometer 15,16' da kullanılmıştır.

figure-introduction-5957
Şekil 1: özel olarak oluşturulmuş mekanik test aygıtı bakış. (A) A bilgisayar destekli tasarım işleme cihazın. Sahne alanı bileşenleri yeşil renkle vurgulanmıştır. Yarı mamul (konsol, yükleme noktası (LP)) algılama kuvvet kırmızı ile vurgulanacaktır. (B) A (A) görünümünü büyütülmüş. LP ayna mavi LP FODS altında üst yüzeyinde gösterilir ve LPM etiketlenir. (C) çeviri sahne hareket açıklamak için kullanılan koordinat sistemi. İnci seviyelendirme ileAdım 1.9 protokolünün aşamasında e figure-introduction-6613 yön LP ayna yüzeye normal vektör ile aynı tarihte yapılır. (D) A şematik iğne ve ölçülen talebiyle deformasyon gösterilen üç sayılık bükme yapılandırma figure-introduction-6848 , ve figure-introduction-6927 . Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Yetenekleri içinde deniz sünger Euplectella aspergillum6,7. iskelet öğeleri üzerinde üç sayılık bükme testleri gerçekleştirerek gösterilen Bu sünger'ın iskelet filamentler, spicules (bkz. Şekil 2A) adı verilen bir derlemedir. Spicules ≈50 µm kalınlığında ve öncelikle 6silis oluşur. Biosilica tabanlı spicules Demospongiae, Homoscleromorpha ve Hexactinellida sınıflarına ait sünger bulunur. Hexactinellida sınıfına ait Süngerler, E. aspergillumgibi "cam sünger" da bilinen Cam sünger spicules öncelikle silis oluşur iken, bu silis kez her iki kollajen 17,18 veya kitin 19,20 oluşan organik bir matris içeren gösterilmiştir , 21. organik bu matris silis biomineralization 18,20içinde önemli bir rol oynar. Ayrıca, bazı spicules organik matrix Ayrıca kalsiyum 22biomineralization için bir şablon olarak hizmet vermektedir. Silis içinde ek olarak dağıtılmakta, organik matris aynı zamanda iğne'nın silis konsantrik, silindirik lamellae 6,23bölme ayrı Katmanlar oluşturabilir. Bu konsantrik, lamel mimari spicules deformasyon davranış 6,7,8,24,25,26 etkileyebilir gösterilmiştir . Sonuç olarak, spicules mekanik özellikleri onların kimya birleşimiyle belirlenir (i.e., Silis-protein kompozit kimyasal yapısı) ve onların mimari 27. Cam sünger spicules mimarisini ve kimyasal yapısını hala soruşturma 24,28,29altında bulunmaktadır.

E. aspergillum spicules çoğunu birlikte forma sert bir iskelet kafes çimentolu. Ancak, iskelet tabanında çok uzun (bkz. Şekil 2A) çapa spicules bilinen (≈10 cm) spicules bir tutam yoktur. Biz üç sayılık bükme testi çapa spicules küçük bölümler üzerinde gerçekleştirmek için protokol tanımlamak.

1. adım ' nın protokol, montaj ve özel olarak oluşturulmuş mekanik test aygıt bileşenlerini hizalama yordamı açıklanmıştır. Adım 2 ve 4 Protokolü'nün kuvvetler ve talebiyle bükme testi hesaplamak için kullanılan oluşturma kalibrasyon verileri için yönergeler sağlar. Bir iğne bir bölümünü hazırlamak ve test fikstür monte gerçekleştirilen adımları Adım 3'teaçıklanmıştır. İğne bölümünde bükme testi yürütmek için yordam Adım 5'teaçıklanmıştır. Son olarak, Temsilcisi sonuçları bölümünde adımları 2 ve 4 elde kalibrasyon verileri birlikte Adım 5'te elde edilen bükme test verileri hesaplamak için kullanılan figure-introduction-10466 ve figure-introduction-10535 .

figure-introduction-10670
Resim 2: kesit ve E. aspergillum spiculesteftiş için yordam. (A) E. aspergillumiskelet. Müstakil çapa spicules tutam iskelet tabanında gösterilir. Ölçek çubuğu ~ 25 mm tek çapa iğne #00000 kırmızı samur fırça kullanarak ve jilet kullanarak kesitli bir mikroskop slayt üzerinde yerinde tutulur. (B) olduğunu. Ölçek çubuğu ~ 12 mm bir E. aspergillum iğne bir bölümünü hendek arasında örneği Sahne Alanı'nda yerleştirilir. (C) olduğunu. Hendek kenarları ve hendek ridge deniz mavisi ve turuncu, sırasıyla vurgulanır. İğne Siperi ridge karşı kendi ekseni hendek kenarlarına dik olması için itilir. Adım 3,4 nasıl bir iğne bölümü oluşmuşsa ve atılmalıdır belirleneceği açıklanır Protokolü'nün açıklandığı muayene yordam geçirmeden bir iğne (D) A test. Birçok çatlaklar içeren ve Adım 3.4 Protokolü'nün açıklandığı muayene yordamı başarısız olur silis katmanları büyük bölümü eksik bir iğne (E) A test. Ölçek çubukları 250 µm (C), 100 µm (D) ve 100 µm (E) =. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Protokol

1. montaj ve hizalama

  1. Seç, sertlik hedeflenen denemenin uygun bir konsol. LP #4-40 yuva baş cap (bkz. şekil 3 A) vidaları (SHCSs) kullanarak konsol iliştirin. Take care değil plastically LP eklenirken prensibine göre silah deforme.

figure-protocol-385
şekil 3: konsol hazırlamak için yordam zorlamak sensör ve ölçme onun sertlik. (A) yükleme noktası (LP) yukarı işaret yükleme noktası ucu ile (LPT) prensibine göre (C), bağlı. (B) konsol ve LP yarı mamul CP belirtilen konsol plakasına bağlı. Gömme cep konsol plaka konsol silah altında gösterilir. (C) prensibine göre plaka bağlı bir çerçeve alt (B) gösterilen plaka tarafında karşı karşıya böylece figure-protocol-957 yön. FODS mikrometre FM. (D) Tel kanca gösterilir ve Kalibrasyon ağırlıkları Adım 2 protokolü kullanılan LPT delik asılı gösterilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

  1. 2-propanol birkaç damla bir tüysüz ücretsiz pamuklu çubukla uygulamak ve LP ayna yüzeyine silin. Çizikler için ayna incelemek ve bu zarar görmüşse ayna değiştirin.
  2. Gevşek #6-32 SHCSs LPT uzak plaka işaret ile gömme cep içeren plaka tarafında kullanma prensibine göre plaka konsol takın (bkz. şekil 3 B). 1/8 Ekle " hizalama pimleri konsol ve plaka, vidaları sıkıştırın ve sonra hizalama pimleri kaldırmak.
  3. FODS mümkün olduğu kadar FODS mikrometre yönünün (bkz. şekil 3 C) çevirerek geri çek. #6-32 SHCSs LPT içinde işaret ile kullanarak çerçeve gevşek prensibine göre plaka eklemek figure-protocol-2083 yön (bkz. şekil 1 A). 1/8 Ekle " hizalama iğne saplayıp çerçeve ve konsol plaka vidaları sıkıştırın ve sonra (bkz şekil 3 C) hizalama pimleri kaldırmak.
  4. Güç açmak tedarik ve gerilim 12,00 V sabit voltaj modunda ayarlama düğmesi kullanarak ayarlayın. Sonra gerilim çıkışını açmak ve geçerli çizmek güç kaynağı görüntülenen onaylayın ' s LCD ekrandır yaklaşık 60-70 anne. Gerilim ölçüm belirsizliği azaltmak için kararlı duruma ulaşmak geçerli çizmek için en az bir saat bekleyin.
  5. Açın ve çalıştırın Basic_Data programı (bkz: ek kod dosyaları). (Bkz: şekil 3 C ve şekil 4 A) FODS mikrometre FODS LP doğru ayna kullanıcı arayüzü grafik üzerinde görüntülenen çıkış voltajı en büyük bir değer ulaşıncaya kadar taşımak için saat yönünde çevir.
    1. Set çevirerek FODS kazanç vida FODS konut tarafında çıkış gerilimi dönüş V. 5.0 FODS mikrometre FODS geri çekmek için saat yönünün olduğunu böylece ayarlama.
  6. Mikroskop ışığı açmak ve mikroskop pozisyonunu ayarlayýn ve LPT görüş alanı ortalanacak şekilde iki el ile çeviri aşamaları kullanarak odak. Basic_Data programı tıklayarak durdurabilirsiniz ' durdurmak ' düğmesini.
  7. Motor kontrolörü kullanıcı arabirimi yazılımını açın. Potansiyometre kaydırıcıyı kullanın figure-protocol-3638 -eksen motor kontrolörü maksimum izin verilen seyahat için sahne alanı taşımak için < img alt "Denklem 6" src = "/ dosya/ftp_ = upload/56571/56571eq6.jpg"/ > yön ve set tıklayarak ev konumu ' ev ' düğme kullanıcı arabiriminde.
    1. Kullanım potansiyometre kaymak üzerinde figure-protocol-4024-maksimum izin verilen seyahat için sahne alanı taşımak için eksen motor kontrolörü figure-protocol-4175 yön ve set ev konum. Kullanıcı arabirimi yazılım kapatın.
  8. Seviyelendirme ipuçları mikrometre başkanları içinde yatsın sahne taban plakası efendim plaka böylece sahne taban plakası (bkz. şekil 4 A) sahnede koltuk. Bir kabarcık düzey yalıtım masaya koyun ve her tablo içindeki basınç ayarlama ' kapak kapatarak s bacakları kol parmak vida böylece düzey yüzeydir.
    1. Kabarcık seviyesi plaka tesviye sahne başına taşımak ve aynı zamanda düzey mikrometre ayarlayın. Mikrometre pozisyonları unutmayın ve sahne sahne taban plakası kaldırın. Not: Burada protokol duraklatılmış.

figure-protocol-4972
şekil 4: mekanik test aygıtı toplandı gibi adımlar 1.9 ve protokolünün 3.7. (A) örneği Sahne Alanı'nda (SS), çeviri Sahne Alanı'na (TS) bağlıdır ve sahne taban plakası (SBP) oturmuş plaka (SLP), tesviye sahnede mikrometre kullanarak dümdüz edildi. Sahne taban plakası için yalıtım tablo breadboard optik eklenir. Konsol (C); prensibine göre plaka (CP); ve fiber optik deplasman sensörü (FODS) sistem algılama gücü oluşturmak. (B) yükleme noktası (LP) konsol için bağlı olduğu ve yük noktası uç (LPT) örneği Sahne Alanı'nda iğne üzerinde konumlandırılmış. Bükme test sırasında LP yerinden FODS ölçülür. FODS ve LP ayna arasındaki ilk mesafe (A) gösterilen FODS mikrometre (FM) tarafından denetlenir. LPT altında konumlandırılmış örnek aşamasında hendek arasında döşeme iğne (C) A test. Ölçek çubuğu 250 µm (C) =. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

2. konsol sertlik ölçüm

  1. Basic_Data program ve çevirmek FODS mikrometre çıkış voltajı kadar saat yönünde yaklaşık 4 Stop V. tıklayarak çalıştırın ' durdurmak ' düğmesini.
  2. Bir analitik denge kullanarak Tel kanca ve Kalibrasyon ağırlıkları kitle ölçmek.
  3. Cantilever_Calibration programı açın (bkz: ek kod dosyaları) ve kuvvet için istenen dosya adı girin calibration çıkış dosyası kullanıcı arabirimindeki metin kutusuna.
  4. Cantilever_Calibration programını çalıştırın ve'ı tıklatın ' tamam ' ilk kalibrasyon ağırlığı kitle girmeniz istendiğinde. Salınan durdurmak ve yeşil'i tıklatın kullanıcı arabirimi grafikte gösterilen çıkış voltajı beklemek ' gerilim stabilize ' gerilim ölçü almak için düğmeyi.
  5. Kullanım cımbız tel asmak için kanca LPT delik üzerinden böylece kanca mikroskop objektif (bkz: D 3 rakam) uzak karşı karşıya. Buna ek olarak kanca tarafından neden prensibine göre titreşim nemli için cımbız kullanın.
    1. Kanca kitle iletişim kutusunun gram girin ve'ı tıklatın ' tamam '. Önceki adımı olduğu gibi'ı tıklatmadan önce salınan durdurmak çıkış voltajı beklemek ' gerilim stabilize ' düğmesini.
  6. Kullanım cımbız tel üzerinde ilk ağırlığı asmak için kanca ve önceki adımda anlatıldığı gibi bir gerilim ölçü alma işlemi yineleyin. Ya tüm kalibrasyon ağırlıkları asıldılar veya çıkış voltajı daha az 1,8 V kadar bu adımı yineleyin. Bu noktada,'ı tıklatın ' iptal ' Cantilever_Calibration programdan çıkmak için iletişim kutusundaki.
  7. FODS mikrometre yönünün FODS geri çekmek için açın. Kanca ve ağırlıkları LPT dikkatli bir şekilde çıkarın.
    Not: Güç kalibrasyon çıktı dosyası kalibrasyon kitleler, 100 FODS çıkış voltaj değerleri ortalaması ve standart sapma Bu okumalar tarafından uygulanan kuvvet bir sekmeyle ayrılmış listesidir. Temsilcisi sonuçları bölümü konsol sertlik ölçmek için bu veri dosyası nasıl işleneceğini açıklar.

3. Numune hazırlama

E. aspergillum ele alırken
  1. giyim nitril eldiven sünger iskeletler ve değil işlenen zaman iskelet mühürlü kaplarda saklayın.
    Dikkat: bu yana spicules öncelikle silis oluşur, kırık iğne parçaları keskin ve cilt tahriş için önde gelen, gömülü olmak.
  2. Bir çapa iğne onun distal uç ve iskelet kaldırmak için çekme kavramak için bir çift cımbız kullanın (bkz. Şekil 2 A). İğne temiz mikroskop slaytta yer.
  3. İğne slaytın orta nokta #00000 kırmızı samur fırça kullanarak kendi uzunluğu boyunca yanında karşı tutun. Kesin bir ≈ jilet iğne karşı fırça her iki tarafında dikey slayt için bastırıyor tarafından iğne bölümünün 4 mm yüzey (bkz: Şekil 2 B). Büyük distal ve proksimal iğne bölümleri atın ve koruyun ≈ 4 mm bölüm.
  4. 4-mm iğne bölümü 10 x büyütme oranında polarize ışık mikroskop kullanarak kontrol edin (bkz. Şekil 2 C-E). İğne bölümü atıp büyük bölgeleri (bkz: Şekil 2 E) silis katmanların eksikse Adım 3.2 dönmek. Sadece yeni zarar onların silis katmanlara tanıtımı önlemek için #00000 kırmızı samur fırça kullanarak kontrol iğne bölümlerde ele.
  5. Herhangi bir iğne parçaları veya diğer parçacıklar bir fırça veya basınçlı hava ile örnek sahnenin yüzeyinden temizlemek. Sonra 2-propanol birkaç damla bir tüysüz ücretsiz pamuklu çubukla uygulamak ve örnek sahne alanı silin. Yansıtıcı boya kaplı sahne alanlarında temastan kaçının. Not: Boya görüntüleri bükme test sırasında alınan Aynasal Yansıma sayısını azaltmak için kullanılır
  6. İğne bölümü örneği Sahne Alanı'na transfer. Bükme testi için istenen yayılma ile hendek arasında iğne bölümüne getirin ve yavaşça içeri it figure-protocol-10201 hendek ridge karşı yön. İğne (bkz: Şekil 2 C) hendek kenarlarına dik olduğundan emin olun.
    7. Böylece ipuçları mikrometre iğlik sahne taban plakası efendim dinlenme
  7. sahne taban plakası sahnede koltuk. Gerekirse, mikrometre plaka Adım 1.9 iletişim kuralı not ettiğiniz değerlerle seviyelendirme sahnede belirleyin.

4. Gerilim-deplasman ilişkilendirme dosya

  1. Bending_Test programı açın (bkz: ek kod dosyaları). Ayarla ' adım boyutu ' için 2 µm, ' maksimum deplasman ' 0.5 mm, ' alçak gerilim dur ' 1,5 V, ve ' yüksek gerilim dur ' 4,6 kullanıcı arabiriminde gösterilen metin kutularını kullanarak V için. Metni kullanarak
    1. seçin istenen görüntü ve veri dizinleri ve çıkış dosyası adı kullanıcı arabiriminde kutuları. Ayarla ' görüntüleri kaydetmek ' kullanıcı arabiriminde aşağı konuma geçin ve kelimelerin altındaki yeşil dikdörtgen düğmesini tıklayın ' gerilim farkı ' böylece aydınlatılmış olur.
  2. Bending_Test programını çalıştırın ve başlatmak motor denetleyicisi ve kamera arabirimler için bekleyin.
  3. Üzerinde ışığı açmak ve LPT görünür parlaklığı ayarlamak. Kullanıcı arabirimi grafikte gösterilen çıkış voltajı ~1.7 V. olana FODS mikrometre saat yönünde çevir
    1. Kullanım potansiyometre kaymak üzerinde figure-protocol-11739-eksen motor kontrolörü sahne alanı taşımak için figure-protocol-11855 kadar yön ~ 1 cm LPT ve küme aşağıdaki olduğunu figure-protocol-11971-eksen ev konumu tıklatarak " ev " düğmesini.
  4. Üzerinde potansiyometre kaydırıcıları kullanın figure-protocol-12160- ve figure-protocol-12232-eksen motor denetleyicileri LPT konumlandırmak için örneği Sahne Alanı'nda bulunan ince çelik şerit merkezi üzerinden figure-protocol-12420 hendek yönden. Potansiyometre kaydırıcıyı kullanın figure-protocol-12541-eksen motor kontrolörü sahne alanı taşımak için figure-protocol-12657 kadar sahne yön içinde mikroskop ' s alan bakış.
  5. Üzerinde potansiyometre kaydırıcıyı kullanın figure-protocol-12833-eksen motor kontrolörü sahne alanı taşımak için figure-protocol-12949 yönünde iken çıkış voltaj grafik kullanıcı arabiriminde izliyor. LPT bağlantı sahne kurar yaklaşık konumu belirlemek ' s yüzey gerilimi ile yapılan bir değişikliğin bakarak daha fazla hareket sahne alanı. Etap yaklaşık 10 µm geri çek.
  6. Etiketli düğmeyi tıklatın " başlamak Test ". İstendiğinde, 0,003 V ve 0,001 mm için değerleri girin ' hassasiyet dokunma ' ve ' adım boyu touch ', anılan sıraya göre. Testi tamamlamak bekleyin.
    Not: doğru deplasman ölçümler sağlamak için bükme testi tamamlanıncaya kadar bu noktadan sonra sahne sahne temel plaka kaldırmaz. Gerilim-deplasman ilişkilendirme çıktı dosyası 100 FODS çıkış voltajı ölçümler ortalama ve standart sapma ile birlikte bu okumalar, bir sekmeyle ayrılmış listesidir figure-protocol-13786- Eksen sahne her sahne deplasman artışı konumunda. Temsilcisi sonuçları bölümü bu veri dosyası için LP talebiyle ölçülen FODS çıkış gerilimleri dönüştürmek için nasıl kullanıldığı açıklanmaktadır.

5. Test bükme

  1. açık ve koşmak Basic_Data program ve kullanıcı arayüzü grafik üzerinde görüntülenen çıkış voltajı üzerinde yaklaşık 3 potansiyometre kaydırıcıyı kullanın f. olana FODS mikrometre saat yönünün tersine çevirmek < img alt "Denklem 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" = / > -hendek kenarları iğne (bkz. şekil 4 C) yukarıda arasındaki LPT konumlandırmak için eksen motor kontrolörü.
    1. Kullanım potansiyometre kaymak üzerinde figure-protocol-14639-eksen motor kontrolörü sahne alanı taşımak için figure-protocol-14755 kadar yön LPT hendek ridge üst yüzeyinin altında olduğunu (bkz. şekil 5 A). Son olarak, üzerinde potansiyometre kaydırıcıyı kullanarak figure-protocol-15006-LP tam genişliğini kenarları arasında böylece hendek ridge ön yüzeyine odak haline getirmek için eksen motor kontrolörü hendek ridge. Basic_Data programı tıklayarak durdurabilirsiniz ' durdurmak ' düğmesini.
  2. Aç ve Center_LoadPoint programı çalıştır (tamamlayıcı kod dosyasına bakın). Kullanım figure-protocol-15433-eksen motor kontrolörü LPT neredeyse doğru hendek kenarına ile temas kadar sahne alanı taşımak için. ' I tıklatın " bulmak kenar " düğmesini.
    3. İstendiğinde,
  3. kullanmak figure-protocol-15685-eksen motor kontrolörü LPT neredeyse sol hendek kenarına ile temas kadar sahne alanı taşımak için. ' I tıklatın " bulmak kenar " düğmesi. Programın LPT orta yolda hendek span konumlandırmak bekleyin (bkz şekil 5 B).
    Not: Bu noktadan sonra değil ayarlamak önemli 's figure-protocol-16081-eksen motor kontrolörü olarak bu hatalı hizalaması LPT içinde sonuçlanacaktır.
  4. Bending_Test programını açın. Adım boyutunu ayarlamak için 2 µm, 0,5 mm, alçak gerilim durdurmak için 1.5 V ve yüksek gerilim durdurmak için 4.5 metin kutularını kullanarak kullanıcı arabiriminde V maksimum deplasman. Metni kullanarak
    1. seçin istenen görüntü ve veri dizinleri ve çıkış dosyası adı kullanıcı arabiriminde kutuları. Ayarla ' görüntüleri kaydetmek ' kullanıcı arabiriminde yukarı konuma kelimeler yeşil dikdörtgen düğmesini tıklatın ve ' gerilim farkı ' böylece değil aydınlatılır.
  5. Bending_Test programını çalıştırın ve başlatmak motor denetleyicisi ve kamera arabirimler için bekleyin.
  6. Sahne hareket figure-protocol-16959 iğne içinde mikroskop olana motor kumanda üzerindeki potansiyometre kaydırıcıyı kullanarak yön ' s alanı elde edersiniz. Potansiyometre kaydırıcıyı kullanın figure-protocol-17205 -iğne altında LPT olana sahne alanı taşımak için eksen motor kontrolörü.
    1. Ayarlamak mikroskop odak topuzlar iğne kullanıcı odakta olması (bkz. şekil 4 C) arabirim. Çıkış voltajı yaklaşık 1,8 V. olana FODS mikrometre saat yönünün tersine çevirmek
  7. Sahne alanı taşımak için z ekseni motor denetleyicisinde potansiyometre kaydırıcıyı kullanın figure-protocol-17708 Çıkış voltajı grafik kullanıcı arabiriminde izlerken yön. Hangi rehber LPT iğne gerilim ile daha fazla hareket Sahne Alanı'nın bir değişim bakarak yaklaşık konumunu belirleyin. Sahne yaklaşık 50 µm geri çek.
  8. Tıklama " Begin Test " ve bükme testi tamamlandıktan ve sahne döner kadar bekleyin figure-protocol-18085-eksen ev konumu.
    Not: Sahne alanı 2 µm artışlarla (Adım 5,4 Protokolü'nün reçete olarak) hareket edecek figure-protocol-18281 yön, iğne bükme (bkz: Şekil 5 C) birkaç durdurma koşullardan biri gerçekleşene dek. Durdurma koşullar vardır: bir) 0,5 mm maksimum sahne yerinden ulaşılır; b) iğne tatili program algılar ve büyük bir damla FODS çıkış voltajı; veya c) 4.5 V yüksek gerilim sınırına ulaşıldı. Testi sonlandırabilir veya önceki değeri geçersiz kılmak isterseniz koşul (a) durdurmak için kullanıcıdan istenir. Ne zaman ' geçersiz kılmak ' olduğunu seçili, kullanıcı sahne deplasman sınırı artırmak veya iğne boş olduğu gibi veri toplama devam edebilmek için sahne deplasman adım yönünü tersine çevirmek için fırsatınız olacak. Sahne deplasman artışı yönünde de tıklatarak değiştirilebilir " geri yükleme " düğmesini test sırasında herhangi bir noktada. Bükme testi çıktı dosyası'nın protokol Adım 4.6 üretilen gerilim-deplasman ilişkilendirme çıktı dosyası olarak aynı yapıya sahiptir. Diğer bir deyişle, 100 FODS çıkış voltaj değerleri ortalaması, bu okuma ile birlikte standart sapması sekmeyle ayrılmış listesi verilmiştir figure-protocol-19435-eksen sahne konumu her aşamada Deplasman artışı. Temsilcisi sonuçları bölümü bu veri dosyası konsol talebiyle ve sahne talebiyle sırasında bükme testi hesaplamak için gerilim-deplasman ilişkilendirme dosya ile birlikte nasıl kullanıldığını açıklar. Daha sonra konsol sertlik LPT iğne üzerinde tarafından uygulanan kuvvet hesaplamak için kullanılır.
    9. Test tamamlandıktan sonra
  9. FODS en az 5 mm LPT aynadan olana FODS mikrometre saat yönünün tersine çevirin. Sonra dikkatli bir şekilde sahne sahne taban plakası çıkarın.

figure-protocol-20116
şekil 5: LPT siper ile hizalamak için yordam ' s aralığı orta ve bükme test performans (A) LPT Adım 5.1 Protokolü'nün sonunda hendek sırtın üst yüzeyinin altında yerleştirilmiş, ancak henüz orta açıklıklı yerleştirilmiyor. Açıklanan adımları 5.2 ve 5.3 Protokolü'nün (B) merkezleme sonra LPT konumunu yordam tamamlandı. Bükme testi sırasında alınan bir iğne (C) A test. İğne kesit LPT altında çıkarılması figure-protocol-20733, şematik olarak işaretlendi. Ölçek çubukları 250 µm = (A-C). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Sonuçlar

Herhangi bir mekanik test en temel çıkış örnek ve deplasman kuvvet uygulandığı yerde uygulanan kuvvet büyüklüğü vardır. Üç nokta bükme test durumunda LPT tarafından uygulanan kuvvet büyüklüğü elde etmek için hedeftir figure-results-275 ve örnek'ın kesit LPT içinde altında çıkarılması figure-results-398 yön,

Tartışmalar

İletişim kuralı birkaç adım kuvvetler ve talebiyle doğru ölçülür sağlamak için özellikle önemlidir. Bazı kritik adımlar tüm üç sayılık bükme testleri için evrensel olmakla birlikte, bu mekanik test aygıt için benzersiz diğerleri.

Adım 1.2 LP ayna temizlenir ve çizikler için kontrol Protokolü ve Adım 1,6 Protokolü'nün FODS kazanç ayarlanır. Kazanç ve LP ayna yansıma adımları 2, 4ve...

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

Bu eser Ulusal Bilim Vakfı [mekanik malzemeler ve yapılar Program numarası 1562656 vermek,]; tarafından desteklenen ve makine mühendisleri [Haythornthwaite Genç Araştırmacı Ödülü] American Society.

Malzemeler

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

Referanslar

  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
  3. Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
  4. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
  5. Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
  6. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
  7. Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , (2017).
  8. Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
  9. Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
  10. Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
  11. Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
  12. Gudlavalleti, S. . Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , (2002).
  13. Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
  14. Waters, J. F. . Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , (2009).
  15. Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
  16. Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
  17. Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
  18. Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
  19. Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
  20. Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
  21. Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
  22. Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
  23. Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
  24. Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
  25. Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
  26. Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
  27. Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , 796-808 (2011).
  28. Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
  29. Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
  30. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
  31. Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. . Errors associated with flexure testing of brittle materials. , (1987).
  32. Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
  33. Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Biyom hendisliksorunu 128mekanik karakterizasyonumekanik zelliklerisay l k b kme testikonsol kuvvet sens rfiber optik deplasman sens ryap sal biyolojik malzemebiosilica lifEuplectella aspergillumi ne

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır