Миллиметр на изгиб тестирования системы шкалы для измерения механических свойств морской губкой спикулы
Summary
Мы представляем протокол для выполнения 3 точка изгиба тесты на суб миллиметровой шкалы волокон с помощью заказных механическое устройство тестирования. Устройство можно измерить силы, начиная от 20 µN до 10 N и поэтому может вместить различных размеров волокна.
Abstract
Многие нагрузки с учетом биологических структур (LBBSs) — например, перо rachises и спикулы — маленькие (< 1 мм), но не микроскопические. Измерения изгиба поведение этих LBBSs важно понять происхождение их замечательной механических функций.
Мы описываем протокол выполняет три точки изгиба тестов с помощью заказных механические испытания устройство, которое можно измерить сил от 10-5 до 101 N и перемещения, начиная от 10-7 до 10 м-2 . Основное преимущество этого механические испытания устройства является, что силы и перемещения мощностей может быть легко приспособлено для различных LBBSs. Устройство и принцип работы аналогичен атомно-силового микроскопа. А именно сила применяется для LBBS точку нагрузки, которая прилагается к концу кантилевера. Точка водоизмещение измеряется датчиком волоконно оптические перемещения и преобразован в силу, используя измеренные консольные жесткость. Диапазон силы может быть отрегулирован с помощью кантилеверы различных жесткость.
Демонстрируются возможности устройства, выполнив три точки изгиба тесты на скелетных элементов морской губки Euplectella aspergillum. Скелетных элементов — известный как спикулы — кремния волокна, которые являются около 50 мкм в диаметре. Мы описываем процедуры для калибровки механические испытания устройство, монтаж спикулы на три точки изгиба арматуре с пролетом мм ≈1.3, и выполнять изгиб теста. Измеряется усилие костных и его отклонения в месте расположения приложенной силы.
Introduction
Изучая архитектуры несущей биологических структур (LBBSs), таких как shell и кости, инженеры разработали новые композиционные материалы, которые являются как сильные, так и жесткие 1. Было показано, что замечательный механических свойств LBBSs и их коллеги, био вдохновил, связаны с их сложной внутренней архитектуры 2. Однако отношения между LBBS архитектуры и механических свойств полностью не поняты. Измерительные механические ответ LBBS является первым шагом на пути понимания, как ее архитектура повышает ее механические свойства.
Однако важно, что тип теста, используемых для измерения механических ответ LBBS согласуется с его механическую функцию. Например поскольку перья должны поддерживать аэродинамических нагрузок, основная функция перо рахиса является обеспечить прочность на изгиб 3. Таким образом испытание на изгиб является предпочтительным для одноосного напряженности тест для измерения механических ответ. В самом деле, многие LBBSs — например, перо rachises 3, трава стебли 4и спикулы 5,6,,78— главным образом деформируется при изгибе. Это потому что стройная эти LBBSs —т.е., длина их гораздо больше, чем их ширина или глубина. Однако, изгиб испытаниях на этих LBBSs является сложной задачей, потому что силы и перемещений, которые они могут выдерживать до сбоя в диапазоне от 10-2 до 10 10-4 до 10-3 м, соответственно 3 и2 N , 4 , 5 , 7 , 8. Таким образом, устройство, используемое для выполнения этих механических испытаний должны иметь силу и перемещения резолюций ≈10-5 N и ≈10-7 m (т.е., 0.1% максимальная измеримых силы и перемещением сенсора), соответственно.
Коммерчески доступных, большого масштаба, механических испытаний систем обычно не могут измерить силы и перемещения с этой резолюции. В то время как атомно-силовой микроскоп основе 9,10 или микроэлектромеханических систем на базе 11 тестирования устройства имеют надлежащее разрешение, максимальная сила (соответствующих перемещений) они могут измерять меньше, чем Максимальная сила (соответствующих перемещений), LBBS может выдержать. Таким образом выполнять изгиб тесты на эти LBBSs, инженеры и ученые должны полагаться на заказ механических испытаний устройств 5,7,12,13. Основным преимуществом этих заказных устройств является, что они могут разместиться большие ряды сил и перемещения. Однако строительства и эксплуатации этих устройств не очень хорошо документированы в литературе.
Протокол описан выполняет три точки изгиба тестов с помощью заказных механические испытания устройство, которое можно измерить сил от 10-5 до 101 N и перемещения, начиная от 10-7 до 10 м-2 . Технические чертежи, включая все аспекты, компонентов механических испытаний устройства приводятся в дополнительных материалах. Основным преимуществом этого механические испытания устройства является диапазоны силы и перемещения можно легко скорректировать с учетом различных LBBSs. Устройство и принцип работы аналогичен атомно-силовой микроскоп 9. В этом устройстве, образец помещается через траншею, сократить в пластиной из нержавеющей стали (см. рис. 1A-C). Весь спектр траншеи измеряется от оптической микроскопии быть 1278 ± 3 μm (среднее ± стандартное отклонение; n = 10). Края траншеи поддерживают образца во время испытания на изгиб (см. Рисунок 1 cи D). Этот пример стадии придает этап 3 оси вращения и расположены под алюминий клин, так что клин расположен на полпути через траншею промежуток (см. рис. 1C). Перемещая на этапе 
направлении (см. рис. 1Aи C), образец помещается в клин, вызывая образца согнуть.
Мы ссылаемся на клин как нагрузки точки оконечности (LPT) и компонент устройства, содержащего клина как точки нагрузки (LP). LP прилагается к концу кантилевера, чьи смещение измеряется волоконно оптические перемещения датчик (FODS). FODS излучает инфракрасный свет, который отражается офф зеркало расположен на верхней поверхности пластинки (см. рис. 1Б) и получил в оптическом волокне в FODS. ≈5 мм квадратный кусок полированной кремниевой пластины используется как зеркало LP и прикрепляется к LP, с использованием эпоксидной смолы. FODS меры перемещений путем сравнения интенсивности излучаемого и отраженного света. Консольные жесткость и перемещения используются для вычисления силы, 
, опытным путем клина за счет его взаимодействия с образца. Перемещения кантилевера также используется для вычисления перемещение поперечного сечения образца под клин, 
. Датчики на основе консольные силы были использованы в ряде микро – и макро масштабе механических испытаний исследования 10,11,12,13,14. Специфический дизайн, здесь представлены приспособлен от механических испытаний устройство, используемое для выполнения клей контакт экспериментов 14. Также был использован аналогичный дизайн в коммерчески доступных микро трибометра 15,16.
Рисунок 1: обзор по плану механического тестирования устройства. (A) A автоматизированного проектирования рендеринга устройства. Стадии компоненты будут выделены зеленым цветом. Силы, зондирования конструкции (консольные, нагрузки точки (LP)) будет выделена красным цветом. (B) увеличенное представление (A). LP зеркало показаны синим цветом на верхней поверхности пластинки под FODS и обозначается LPM. (C) система координат, используемая для описания движения на этапе перевода. При выравнивании the этап на шаге 1.9 Протокола, направлении производится совпадает с вектором нормали к поверхности зеркала LP. (D) A схема трехточечного изгиб конфигурации показаны деформация костных и измерения перемещений 
, и 
. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Демонстрируются возможности устройства, выполнив три точки изгиба тесты на скелетных элементов морской губки. Euplectella aspergillum6,7 Это Губка скелет является сборкой нитей, называется спикулы (см. Рисунок 2). Спикулы ≈50 µm толщиной и состоит главным образом из кремнезема 6. На основе biosilica спикулы находятся в губки, относящихся к классам, Demospongiae, Homoscleromorpha и Hexactinellida. Губки, например э. aspergillum, которые относятся к классу Hexactinellida также известен как «стеклянных губок.» В то время как спикулы губок стекла состоят главным образом из кремнезема, было показано, что кремний часто содержит органической матрицы, состоящий из либо коллаген 17,18 или хитин 19,20 , 21. Этот органической матрицы играет важную роль в кварцевый biomineralization 18,20. Кроме того в некоторых спикулы органической матрицы также служит шаблон для biomineralization кальция 22. В дополнение к распространяется в пределах кремнезем, органической матрицы могут также образовывать различные слои, которые секционировать спикулы кремнезема в концентрические, цилиндрические ламелями 6,23. Было показано, что это концентрические, пластинчатые архитектура может повлиять на спикулы деформации поведение 6,,78,24,25,26 . Следовательно, спикулы механических свойств определяются сочетанием их химии (т.е., химическая структура композитного кремний белка) и их архитектура 27. Химическая структура и архитектура стекла Губка спикулы находятся в стадии расследования 24,,2829.
Большинство спикулы в э. aspergillum укрепил вместе сформировать жесткой скелетных клетке. Однако на базе скелета есть пучок очень долго спикулы (≈10 см), известный как якорь спикулы, (см. Рисунок 2). Мы описываем протокол для выполнения 3 точка изгиба испытания на малых участках спикулы якорь.
Шаг 1 протокола описана процедура монтажа и выравнивания компонентов под заказ механического тестирования устройства. Шаги 2 и 4 протокола предоставляют инструкции для создания калибровки данных, используемый для вычисления силы и перемещения в испытание на изгиб. Шаги, предпринятые для подготовки раздела костных и смонтировать его на испытательной арматуре описанных в шаге 3. Процедура проведения испытания на изгиб в разделе спикулы описано в шаге 5. Наконец, в разделе Результаты представитель калибрационных данных полученных в шагах 2 и 4 используются наряду с изгиб тестовые данные, полученные на шаге 5 для вычисления и .
Рисунок 2: Процедура секционирование и проверяющ спикулы э. aspergillum. (A) скелет э. aspergillum. Клок свободностоящая якорь спикулы показано на базе скелета. Линейки шкалы. ~ 25 мм (B) которую один якорь спикулы удерживается на месте на слайде микроскопа с помощью #00000 красный соболя кисти и секционного с помощью лезвия бритвы. Линейки шкалы является ~ 12 мм. (C) раздела E. aspergillum спикулы пересекают траншеи на сцене образца. Края траншеи и траншеи хребту подчеркнул чирок и оранжевый, соответственно. Спикулы помещается против хребте траншею обеспечить, чтобы его ось перпендикулярна края траншеи. (D) A Микрофотография спикулы, который проходит процедуру проверки, описанные в Шаг 3.4 протокола, который описывает, как определить, если спикулы раздел поврежден и должен быть уничтожен. (E) A Микрофотография спикулы, содержащие много трещин и пропавших без вести большие разделы кремнезема слоев, которые бы не процедуры проверки, описанные в Шаг 3.4 протокола. Масштаб баров = 250 мкм (C), 100 мкм (D) и 100 мкм (E). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Несколько шагов протокола особенно важны для обеспечения точно измерить силы и перемещения. В то время как некоторые из этих критических шагов являются универсальными для всех трех пунктов изгиб испытаний, другие являются уникальными для этого механические испытания устройства.
<p c…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальный научный фонд [механика материалов и структур программа, предоставить номер 1562656]; и Американское общество инженеров-механиков [Haythornthwaite молодой следователь премии].
Materials
| TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard | TMC | 63-563 | Isolation Table |
| Diffeential Screw Adjuster | Thorlabs | DAS110 | For stage leveling plate |
| 1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations | Thorlabs | 150-801ME | For stage leveling plate |
| Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes | Thorlabs | PT102 | For microscope mount |
| 1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps | Thorlabs | DT25 | For microscope mount |
| 1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps | Thorlabs | PT1B | For microscope mount |
| 12" Length, Dovetail Optical Rail | Edmund Optics | 54-401 | For microscope mount |
| 2.5" Width, Dovetail Carrier | Edmund Optics | 54-404 | For microscope mount |
| 0.5" Width, Dovetail Carrier | Edmund Optics | 54-403 | For microscope mount |
| InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 | Edmund Optics | 57-788 | Microscope component |
| Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube | Edmund Optics | 56-125 | Microscope component |
| Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube | Edmund Optics | 56-126 | Microscope component |
| Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) | Edmund Optics | 53-787 | Microscope component |
| 5X Infinity Achrovid Microscope Objective | Edmund Optics | 55-790 | Microscope component |
| 0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 | Edmund Optics | 38-944 | Microscope component |
| ¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide | Edmund Optics | 42-347 | Microscope component |
| 115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder | Edmund Optics | 55-718 | Microscope component |
| Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera | Edmund Optics | 88-452 | Microscope component |
| Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike | Edmund Optics | 68-586 | Microscope component |
| 1/4" Travel Single Axis Translation Stage | Thorlabs | MS1S | FODS micrometer |
| Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor | Philtec | D20 | FODS |
| 30V, 3A DC Power Supply | Agilent | U8001A | Power supply for DAQ and FODS |
| 14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ | National Instruments | USB-6009 | DAQ for FODS |
| Three Axis Motorized Translation Stage | Thorlabs | Thorlabs T25 XYZ-E/M | Translation stage |
| T-Cube DC Servo Motor Controller | Thorlabs | TDC001 | Motor controller for stage |
| T-Cube Power Supply | Thorlabs | TPS001 | Power supply for motor controller |
| National Instruments LabVIEW (2013 SP1) | National Instruments | Used for running software | |
| National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) | National Instruments | Used for running software | |
| Nikon Eclipse Ci-POL Main Body | MVI | MDA96000 | Polarized light microscope |
| Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider | MVI | MDB45305 | Polarized light microscope |
| Nikon Dia-Polarizer | MVI | MDN11920 | Polarized light microscope |
| Power Cord – 7'6" | MVI | 79035 | Polarized light microscope |
| Nikon P-Amh Mechanical Stage | MVI | MDC45000 | Polarized light microscope |
| Nikon Lwd Achromat Condenser | MVI | MBL16100 | Polarized light microscope |
| Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD | MVI | MBP60125 | Polarized light microscope |
| Nikon C-TF Trinocular Tube F | MVI | MBB93100 | Polarized light microscope |
| Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC | MVI | MAK10110 | Polarized light microscope |
| Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective | MVI | MUE42100 | Polarized light microscope |
| Venus Flower Basket Sponge | Denis Brand | N/A | Sponge skeleton |
| 3.5X Headband Flip-Up Magnifier | McMaster Carr | 1490T5 | Used for spicule sectioning |
| Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> | Ted Pella | 16011 | Used for load point mirror |
| Low Lint Tapered Tip Cotton Swab | McMaster Carr | 71035T31 | Used for cleaning LP mirror |
| Rubber grip precision knife | McMaster Carr | 35575A68 | Used for sectioning spicules |
| Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm | Ted Pella | 260409 | Used for sectioning spicules |
| Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L | Ted Pella | 11806 | Used for handling spicules |
| PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish | Ted Pella | 5367-5NM | Used for handling spicules |
| Dual Axis Linear Scale Micrometer | Edmund Optics | 58-608 | Used for calibrating the microscopes |
| FLEX-A-TOP FT-38 CAS | ESD Plastic Containers | FT-38-CAS | Used for storing spicules |
| Plastic Vial Bullseye Level | McMaster Carr | 2147A11 | Used for leveling the stage |
| Analytical Balance | Mettler Toledo | MS105DU | Used to mass calibration weights |
References
- Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
- Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
- 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).
- Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
- 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).
- 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).
- Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , (2017).
- 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).
- 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).
- Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
- 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).
- Gudlavalleti, S. . Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , (2002).
- 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).
- Waters, J. F. . Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , (2009).
- 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).
- 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).
- Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
- 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).
- 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).
- Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
- Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
- 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).
- Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , 796-808 (2011).
- 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).
- Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
- Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
- Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. . Errors associated with flexure testing of brittle materials. , (1987).
- 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).
- 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).
