Summary

En Millimeter skala bøjnings test System til måling af de mekaniske egenskaber af Marine svamp knoglesplinter

Published: October 11, 2017
doi:

Summary

Vi præsenterer en protokol til at udføre tre-punkts bøjning test på sub millimeter skala fibre ved hjælp af en specialbygget mekaniske test enhed. Enheden kan måle styrker spænder fra 20 µN op til 10 N og kan derfor rumme en bred vifte af fiber størrelser.

Abstract

Mange indlæse forsynet med biologiske strukturer (LBBSs) — som fjer rachises og knoglesplinter — er små (< 1 mm), men ikke mikroskopiske. Måling bøjnings opførsel af disse LBBSs er vigtigt for at forstå oprindelsen af deres bemærkelsesværdige mekaniske funktioner.

Vi beskriver en protokol for tre-punkts bøjning test bruger specialbyggede mekaniske test udstyr, der kan måle tvinger spænder fra 10-5 til 101 N og forskydninger spænder fra 10-7 til 10-2 m. Den primære fordel ved denne mekaniske test enhed er, at kraft og forskydning kapaciteten let kan justeres til forskellige LBBSs. Enhedens Funktionsprincip er ligner en atomic force microscope. Nemlig anvendes kraft på LBBS ved en belastning punkt, der er knyttet til slutningen af en cantilever. Belastning punkt forskydning er målt af en fiber optic forskydning sensor og omdannet til en kraft ved hjælp af målte cantilever stivhed. Enhedens kraft sortiment kan justeres ved hjælp af udkragninger af forskellige stiffnesses.

Enhedens funktioner er bevist ved at udføre tre-punkts bøjning test på de skeletale elementer af marine svampen Euplectella aspergillum. De skeletale elementer — kendt som knoglesplinter — er silica fibre, der er ca 50 µm i diameter. Vi beskriver procedurerne for kalibrering mekaniske prøvningsanordningen, montering af knoglesplinter på en tre-punkts bøjning armatur med en spændvidde, ≈1.3 mm, og udfører en bøjning test. Den kraft, spicule og dens fordrejning på placeringen af den anvendte kraft måles.

Introduction

Ved at studere arkitekturerne af bærende biologiske strukturer (LBBSs), som shell og knogler, har ingeniører udviklet nye kompositmaterialer, som er både stærk og sej 1. Det har vist sig at de bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber af LBBSs og deres bio-inspirerede modparter er relateret til deres indviklede interne arkitekturer 2. Men relationer mellem LBBS arkitekturer og mekaniske egenskaber er ikke fuldt forstået. Måling af en LBBS mekanisk svar er det første skridt mod forståelse hvordan dens arkitektur forbedrer dens mekaniske egenskaber.

Det er imidlertid vigtigt, at typen test bruges til at måle en LBBS mekanisk svar er i overensstemmelse med dens mekaniske funktion. For eksempel da fjer skal understøtte aerodynamiske belastninger, er en fjer rachis primære funktion at give bøjnings stivhed 3. Derfor foretrækkes en bøjning test fremfor et enakset spænding test til at måle dens mekaniske svar. I virkeligheden, mange LBBSs — såsom fjer rachises 3, græs stammer 4og knoglesplinter 5,6,7,8— primært deformeres ved at bøje. Dette skyldes, at disse LBBSs er slank –dvs., deres længde er meget større end deres bredde eller dybde. Imidlertid udføre bøjning test af disse LBBSs udfordrende fordi de styrker og forskydninger, kan modstå før svigtende spænder fra 10-2 til 102 N og 10-4 til 10-3 m, henholdsvis 3 , 4 , 5 , 7 , 8. den enhed, der bruges til at udføre disse mekaniske test bør derfor have kraft og forskydning opløsninger af ≈10-5 N og ≈10-7 m (dvs. 0,1% af sensorens maksimale målelige kraft og forskydning), henholdsvis.

Kommercielt tilgængelige, store skala, mekanisk prøvning systemer typisk ikke kan måle kræfter og forskydninger med denne beslutning. Mens atomic force microscope-baserede 9,10 eller microelectromechanical systemer-baserede 11 test enheder har tilstrækkelig opløsning, den maksimale kraft (respektive forskydning) de kan måle er mindre end den maksimal kraft (respektive forskydning), LBBS kan modstå. Derfor, for at udføre bøjning tests af disse LBBSs, ingeniører og forskere skal stole på specialbyggede mekaniske test enheder 5,7,12,13. Den primære fordel ved disse specialbyggede enheder er, at de kan rumme store intervaller af styrker og forskydninger. Men, opførelse og drift af disse enheder er ikke godt dokumenteret i litteraturen.

En protokol, der er beskrevet for tre-punkts bøjning test bruger specialbyggede mekaniske test udstyr, der kan måle tvinger spænder fra 10-5 til 101 N og forskydninger spænder fra 10-7 til 10-2 m. Tekniske tegninger, herunder alle dimensioner af komponenter af den mekaniske test enhed leveres i det supplerende materiale. Den primære fordel ved denne mekaniske test enhed er, at kraft og forskydning intervaller let kan justeres så de passer til forskellige LBBSs. Enhedens Funktionsprincip er ligner en atomic force microscope 9. I denne enhed, modellen er placeret på tværs af en grøft, skåret i en rustfri plade (Se figur 1A-C). Span af renden er målt fra optiske micrographs skal 1278 ± 3 µm (gennemsnit ± standardafvigelse; n = 10). Skyttegrav kanter støtte modellen under en bøjning test (jf. figur 1 cog D). Denne prøve fase er knyttet til en tre-akse oversættelse fase og anbringes under en aluminium kile, Kilen er placeret midtvejs på tværs af den rende span (Se figur 1C). Ved at flytte fase den Equation 1 retning (Se figur 1A, og C), modellen er skubbet ind i Kilen forårsager modellen til at bøje.

Vi henviser til kile som belastning punkt tip (LPT) og del af den enhed, der indeholder kile som belastning (LP). LP er knyttet til slutningen af en cantilever, hvis deplacement er målt af en fiber optic forskydning sensor (FODS). FODS udsender infrarødt lys, hvilket afspejles af et spejl, beliggende på oversiden af LP (Se figur 1B) og modtaget af en optisk fiber i til FODS. En ≈5 mm firkantet stykke plade en poleret silicium anvendes som LP spejl og er fastgjort til LP med epoxy. FODS måler forskydninger ved at sammenligne intensiteten af den udsendte og reflekteret lys. Cantilever stivhed og forskydning er bruges til at beregne kraften, Equation 2 , erfarne af kile på grund af dens interaktion med modellen. Cantilever forskydning er også bruges til at beregne fordrivelse af modellens tværsnit under wedge, Equation 3 . Cantilever-baserede Kraftmålerne har været brugt i en række mikro – og makro-skala mekaniske test undersøgelser 10,11,12,13,14. Den specifikke design præsenteres her er tilpasset fra en mekanisk prøvningsanordningen anvendes til at udføre selvklæbende kontakt eksperimenter 14. Et lignende design har også været anvendt i et kommercielt tilgængelige mikro-tribometer 15,16.

Figure 1
Figur 1: oversigt over den specialbyggede mekaniske prøvningsanordningen. (A) A computer aided design rendering af enheden. Fase komponenter er markeret med grønt. Den kraft sensing halvfabrikata (cantilever, belastning punkt (LP)) er fremhævet med rødt. (B) en forstørret visning af (A). LP spejl er vist med blåt på oversiden af LP under til FODS og er mærket LPM. (C) det koordinatsystem, der bruges til at beskrive bevægelse af oversættelse fase. Ved udjævning the fase i trin 1.9 i protokollen, den Equation 1 retning er lavet til at falde sammen med vektor vinkelret på overfladen af LP spejl. (D) A skematisk af den tre-punkts bøjning konfiguration viser deformation af spicule og de målte forskydninger Equation 49 , og Equation 50 . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Enhedens funktioner er bevist ved at udføre tre-punkts bøjning test på de skeletale elementer af marine svampen Euplectella aspergillum6,7. Denne svamp skelet er en forsamling af filamenter, kaldet knoglesplinter (Se figur 2A). Knoglesplinter er ≈50 µm tykt og består primært af silikater 6. Biosilica-baserede knoglesplinter findes i svampe tilhører klasserne Demospongiae, Homoscleromorpha og Hexactinellida. Svampe, såsom E. aspergillum, der tilhører klasse Hexactinellida er også kendt som “glas svampe.” Mens knoglesplinter af glas svampe er sammensat primært af silica, har det vist sig at silica ofte indeholder en organisk grundsubstans, sammensat af enten kollagen 17,18 eller kitin 19,20 , 21. denne organiske matrix spiller en vigtig rolle i silica biomineralization 18,20. Desuden i nogle knoglesplinter fungerer den organiske matrix også som en skabelon for biomineralization af calcium 22. Ud over at blive fordelt inden for silica, kan den organiske matrix også danne forskellige lag, at partitionerer den spicule silica i koncentriske, cylindrisk lamellae 6,23. Det har vist sig at denne koncentrisk, gråt arkitektur kan påvirke knoglesplinter deformation adfærd 6,7,8,24,25,26 . Derfor knoglesplinter mekaniske egenskaber bestemmes af en kombination af deres kemi (dvs., den kemiske struktur af silica-protein komposit) og deres arkitektur 27. Både den kemiske struktur og arkitektur af glas svamp knoglesplinter er stadig under efterforskning 24,28,29.

De fleste af knoglesplinter i E. aspergillum er cementerede sammen til at danne en hård skelet bur. I bunden af skelettet er der imidlertid en TOT af meget længe (≈10 cm) knoglesplinter kendt som anker knoglesplinter (Se figur 2A). Vi beskriver protokol til tre-punkts bøjning test på små sektioner af anker knoglesplinter.

I trin 1 i protokollen beskrevne procedure for samling og justering af komponenterne i den specialbyggede mekaniske test enhed. Trin 2 og 4 i denne protokol giver instruktioner til generere kalibreringsdata bruges til at beregne styrker og forskydninger i bøjning test. De skridt til at forberede en del af en spicule og montere det til test Armaturet er beskrevet i trin 3. Procedure for udførelse af bøjning test på afsnittet spicule er beskrevet i trin 5. Endelig, i afsnittet Repræsentant resultater kalibrering oplysninger indhentet i trin 2 og 4 er bruges sammen med bøjning test oplysninger indhentet i trin 5 til at beregne Equation 2 og Equation 3 .

Figure 2
Figur 2: Procedure for skæring og inspicere E. aspergillum knoglesplinter. (A) et skelet af E. aspergillum. Fritstående anker knoglesplinter TOT er vist i bunden af skelettet. Skalalinjen er ~ 25 mm. (B) en enkelt anker spicule er holdt på plads på et objektglas med et #00000 rød Zobel pensel og sectioned ved hjælp af et barberblad. Skalalinjen er ~ 12 mm. (C) en del af en E. aspergillum spicule placeret på tværs af renden på prøve scenen. Skyttegrav kanter og grøft ridge er fremhævet i krikand og orange, henholdsvis. Spicule er skubbet mod renden højderyg til at sikre, at dens akse er vinkelret på renden kanter. (D) A Mikrograf af en spicule, der passerer inspektion fremgangsmåden i trin 3.4 i den protokol, som beskriver, hvordan at afgøre, om et spicule afsnit er beskadiget og skal kasseres. (E) A Mikrograf af en spicule, der indeholder mange revner og mangler store dele af silica lag, der ikke ville kontrolproceduren beskrevet i trin 3.4 i protokollen. Skalere barer = 250 µm (C), 100 µm (D) og 100 µm (E). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1. forsamlingen og justering Vælg en cantilever, hvis stivhed er passende for planlagte eksperimentet. Tillægge de cantilever med #4-40 sokkel cap skruer (SHCSs) (Se fig. 3 A) LP. Sørge for at ikke plastisk deformere cantilever arme mens vedhæfter LP. figur 3: Procedure for montering af udlægget…

Representative Results

De mest grundlæggende resultater af eventuelle mekaniske test er størrelsen af den kraft, modellen og forskydning på den placering, hvor kraften, der er anvendt. I tilfælde af en tre-punkts bøjning test, målet er at få størrelsen af den kraft, som LPT, , og fordrivelse af modellens tværsnit under LPT i den retning, <img alt=…

Discussion

Flere trin i protokollen er særlig vigtige for at sikre, at styrker og forskydninger måles nøjagtigt. Mens nogle af disse kritiske trin er universelle for alle tre-punkts bøjning test, er andre unikke for denne mekaniske test enhed.

Trin 1.2 i protokollen LP spejl er renses og inspiceres for ridser, og i trin 1,6 i protokollen er FODS gain indstillet. Det er vigtigt for gevinst og LP spejl reflektionsgrad at være konstant til trin 2, <str…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation [mekanik af materialer og strukturer Program, tildele nummeret 1562656]; og den amerikanske Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

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

  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).
check_url/56571?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., Kesari, H. A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules. J. Vis. Exp. (128), e56571, doi:10.3791/56571 (2017).

View Video