En Millimeter skala Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk Testing System for å måle mekaniske egenskaper for Marine svamp spiklene
Summary
Vi presenterer en protokoll for å utføre tre-punkts bøying tester på sub-millimeter skala fibre med en spesialbygd mekanisk testing enheten. Enheten kan måle styrker fra 20 µN opptil 10 N og rommer derfor en rekke fiber størrelser.
Abstract
Mange laste bærer biologiske strukturer (LBBSs)-som fjær rachises og spiklene-små (< 1 mm), men ikke mikroskopiske. Måle Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk virkemåten til disse LBBSs er viktig for å forstå opprinnelsen til deres bemerkelsesverdige mekaniske funksjoner.
Vi beskriver en protokoll for utføre tre-punkts bøying tester med en spesialbygd mekanisk testing enheten som kan måle styrker varierer fra 10-5 til 101 N og forskyvninger alt fra 10-7 til 10-2 m. Den primære fordelen med denne mekaniske testing enheten er at makt og forskyvning kapasiteten kan enkelt justeres for ulike LBBSs. Enhetens operatørselskapene prinsippet er lik som en atomic force mikroskop. Nemlig, kraft til LBBS av Last punkt som er knyttet til slutten av en cantilever. Last punkt forskyvning er målt ved en fiber optisk forskyvning sensor og omgjort til en kraft bruker målt cantilever stivhet. Enhetens force utvalg kan justeres ved hjelp av utkragning av forskjellige stiffnesses.
Funksjonene i enheten er demonstrert av utføre tre-punkts bøying tester på skjelettlidelser elementer av marine svampen Euplectella aspergillum. Skjelettlidelser elementene, kjent som spiklene-er silica fiber som er ca 50 µm i diameter. Vi beskriver prosedyrene for kalibrering mekanisk tester enheten, montering av spiklene på en tre-punkts bøying feste med ≈1.3 mm span, og utfører en bøyd test. Kraften i spicule og dens nedbøyning der anvendt kraft måles.
Introduction
Ved å studere arkitekturer av bærende biologiske strukturer (LBBSs), som shell og bein, har ingeniørene utviklet nye komposittmaterialer som er både sterk og tøff 1. Det har vist at bemerkelsesverdig mekaniske egenskaper for LBBSs og deres bio-inspirert kolleger er knyttet til deres intrikate interne arkitekturer 2. Men er relasjonene mellom LBBS arkitekturer og mekaniske egenskaper ikke fullt ut forstått. Måle en LBBS mekanisk svar er første skritt mot å forstå hvordan arkitekturen forbedrer sine mekaniske egenskaper.
Det er imidlertid viktig at testen brukes til å måle en LBBS mekanisk svar er konsistent med en mekanisk funksjon. For eksempel siden fjær må støtte aerodynamisk belastning, er den primære funksjonen av en fjær rachis å gi Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk stivhet 3. Derfor er en bøying test foretrukket å en uniaxial spenning test for å måle dens mekaniske svar. Faktisk, mange LBBSs, for eksempel fjær rachises 3gress stammer 4og spiklene 5,6,7,8-hovedsakelig deformere ved å bøye. Dette er fordi disse LBBSs er slank,dvssin lengde er større enn sin bredde eller dybde. Imidlertid utføre bøying tester på disse LBBSs er utfordrende fordi de styrker og forskyvninger som de kan tåle før varierer fra 10-2 til 102 N og 10-4 til 10-3 m, henholdsvis 3 , 4 , 5 , 7 , 8. derfor enheten brukes til å utføre testene mekanisk skal ha makt og forskyvning løsninger for ≈10-5 N- og ≈10-7 m (dvs. 0,1% av sensoren maksimal measureable kraft og forskyvning), henholdsvis.
Kommersielt tilgjengelige, store skala, mekaniske testing systemer vanligvis kan ikke måle styrker og forskyvninger med denne oppløsningen. Mens atomic force mikroskop-basert 9,10 eller MEMS systemer basert 11 testing enheter har tilstrekkelig oppløsning, maksimal kraft (respektive forskyvning) de kan måle er mindre enn den maksimal kraft (respektive forskyvning) som LBBS tåler. Derfor, for å utføre bøying tester på disse LBBSs, ingeniører og forskere må stole på spesialbygde mekanisk testing enheter 5,7,12,13. Den primære fordelen med disse spesialbygde enhetene er at de kan ta imot store områder av styrker og forskyvninger. Men er bygging og drift av disse enhetene ikke godt dokumentert i litteraturen.
En protokoll som er beskrevet for utføre tre-punkts bøying tester med en spesialbygd mekanisk testing enheten som kan måle styrker varierer fra 10-5 til 101 N og forskyvninger alt fra 10-7 til 10-2 m. Tekniske tegninger, inkludert alle dimensjoner, av komponentene i mekanisk testing enheten leveres i supplerende materiale. Den primære fordelen med denne mekaniske testing enheten er at makt og forskyvning områdene kan enkelt justeres for å passe ulike LBBSs. Enhetens operatørselskapene prinsippet er lik som en atomic force mikroskop 9. Denne enheten, en prøve er plassert over en grøft i en rustfritt stål plate (se figur 1Vekselstrøm). At grøften måles fra optisk micrographs skal 1278 ± 3 µm (gjennomsnittlig ± standardavvik, n = 10). Grøft kantene støtter prøven under en bøying test (se figur 1 cog D). Eksempel fasen er knyttet til en tre-akse oversettelse scene, og plassert under en aluminium kile slik at kilen ligger over grøftens span (se figur 1C). Ved å flytte scenen i den 
retning (se figur 1Aog C), prøven er presset inn kile forårsaker prøven å bøye.
Vi viser til kile som Last punkt spissen (LPT) og komponenten av enheten som inneholder kilen som belastning (LP). LP er knyttet til slutten av en cantilever Hvis Forskyvning er målt ved en fiber optisk forskyvning sensor (FODS). FODS avgir infrarødt lys, noe som gjenspeiles av et speil plassert på overflaten av LP (se figur 1B) og en optisk fiber i FODS. En ≈5 mm kvadrat en polert silisium wafer brukes som LP speil og er festet til LP med epoxy. FODS måler forskyvninger ved å sammenligne intensiteten av slippes ut og reflektert lys. Cantilever stivheten og forskyvning brukes til å beregne styrken, 
, oppleves av kile på grunn av dets interaksjon med prøven. Cantilever forskyvning brukes også til å beregne forskyvning av prøvens tverrsnitt under kile, 
. Fritt frambygg-baserte force sensorer har blitt brukt i en rekke mikro – og makro-skala mekanisk testing studier 10,11,12,13,14. Den konkrete utformingen presenteres her er tilpasset fra en mekanisk testing enheten brukes for å utføre selvklebende kontakt eksperimenter 14. En lignende design har også blitt brukt i en kommersielt tilgjengelig mikro-tribometer 15,16.
Figur 1: oversikt over spesialbygde mekanisk testing enheten. (A) A dataassistert design gjengivelse av enheten. Scenen komponentene er uthevet i grønt. Kraften sensing delsamling (cantilever, Last punkt (LP)) er uthevet i rødt. (B) en forstørret visning av (A). LP speilet er vist i blått på overflaten av LP under FODS og er merket LPM. (C) koordinatsystemet som brukes for å beskrive bevegelse oversettelse scenen. Ved å utjevne the scenen i trinn 1,9 av protokollen, den retning gjøres samtidig med vektoren normalt på overflaten av LP speilet. (D) en skjematisk av tre-punkts bøying konfigurasjonen viser deformasjon av spicule og de målte forskyvningene 
, og 
. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Funksjonene i enheten er demonstrert av utføre tre-punkts bøying tester på skjelettlidelser elementer av marine svampen Euplectella aspergillum6,7. Denne svamp skjelettet er en samling av filamenter, kalt spiklene (se figur 2A). Spiklene er ≈50 µm tykk og består hovedsakelig av silisium 6. Biosilica-baserte spiklene finnes i svamper tilhører klassene Demospongiae, Homoscleromorpha og Hexactinellida. Svamper, som E. aspergillum, som tilhører klassen Hexactinellida er også kjent som “glass svamper.” Mens spiklene glass svamper består hovedsakelig av silisium, har det vært vist at silica inneholder ofte en organisk matrise som består av enten kollagen 17,18 eller chitin 19,20 , 21. denne organisk matrise spiller en viktig rolle i silisium biomineralization 18,20. Videre i noen spiklene fungerer organisk matrisen også som en mal for biomineralization av kalsium 22. I tillegg til distribueres i silika, kan organisk matrise også danne forskjellige lag som partisjonerer den spicule silica i konsentriske, sylindriske lamellae 6,23. Det har vist at dette konsentriske, lamellær arkitektur kan påvirke spiklene deformasjon atferd 6,7,8,24,25,26 . Følgelig spiklene mekaniske egenskaper bestemmes av en kombinasjon av deres kjemi (dvs., den kjemiske strukturen av silika-protein sammensatt) og deres arkitektur 27. Både kjemiske struktur og arkitektur av glass svamp spiklene er fortsatt under etterforskning 24,28,29.
De fleste av spiklene i E. aspergillum er sementert sammen å danne en stiv skjelettlidelser bur. Men ved foten av skjelettet er det en dusk av veldig lenge (≈10 cm) spiklene kjent som anker spiklene (se figur 2A). Vi beskriver protokollen til å utføre tre-punkts bøying tester på små deler av anker-spiklene.
Fremgangsmåten for å samle og sette komponentene i spesialbygde mekanisk testing enheten er beskrevet i trinn 1 av protokollen. Trinn 2 og 4 av protokollen instruksjoner for genererer kalibrering data som brukes til å beregne styrker og forskyvninger i bøying test. Trinnene tatt for å forberede en del av en spicule og montere den testen lampen er beskrevet i trinn 3. Fremgangsmåten for å gjennomføre bøying testen på delen spicule er beskrevet i trinn 5. Til slutt, Representant resultatinndelingen kalibreringsdataene innhentet i trinn 2 og 4 brukes sammen med bøying test-data innhentet i trinn 5 til å beregne og .
Figur 2: Prosedyre for skjæring og inspisere E. aspergillum spiklene. (A) skjelettet av E. aspergillum. Dusk av frittstående anker spiklene vises ved foten av skjelettet. Skala baren er ~ 25 mm. (B) en enkelt anker spicule holdes på plass et mikroskop lysbildet med en #00000 rød sobel pensel og delt med et barberblad. Skala baren er ~ 12 mm. (C) en del av en E. aspergillum spicule plassert over grøften på utvalg scenen. Grøft kanter og grøft ridge er uthevet i teal og oransje, henholdsvis. Spicule skyves mot grøft ryggen å sikre at sin akse vinkelrett grøft kantene. (D) en mikroskop-bilde av en spicule som passerer inspeksjon fremgangsmåten i trinn 3.4 av protokollen, som beskriver hvordan du fastslår om en spicule er skadet og bør forkastes. (E) A mikroskop-bilde av en spicule som inneholder mange sprekker og mangler store deler av silisium lag som ville mislykkes inspeksjon fremgangsmåten i trinn 3.4 i protokollen. Skalere barer = 250 µm (C), 100 µm (D) og 100 µm (E). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere trinn av protokollen er spesielt viktig for å sikre at styrkene og forskyvninger er nøyaktig målt. Mens noen av disse kritiske trinnene er universelle til alle tre-punkts bøying tester, er andre unik for denne mekaniske testing enheten.
Trinn 1.2 av protokollen LP speilet er rengjort og kontrollert riper og trinn 1.6 av protokollen er FODS gevinst satt. Det er viktig for gevinst og LP speil refleksjon å være konstant for trinn 2, <…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation [mekanikk av materialer og strukturer programmet, gi nummer 1562656]; og American Society til mekaniske ingeniører [Haythornthwaite ung forsker pris].
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 |
Riferimenti
- 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).
