دانلود رایگان مقاله مشخصات سختی و الاستیسیته کوتیکول خشک شده

نظرات 0


مقاله رایگان مشخصات سختی و الاستیسیته کوتیکول خشک شده 



مشخصات سختی و الاستیسیته کوتیکل خشک شده لابستر هوماروس آمریکنوس، به دست آمده به کمک نانو دندانه

 

Hardness and elastic properties of dehydrated cuticle from the lobster Homarus americanus obtained by nanoindentation.

 

مشخصات مکانیکی مواد زیستی با عملکرد خود سازگاری کامل دارند. یک مثال عالی از این مواد، کوتیکول یا پوسته خارجی بندپایان است. در این مقاله کوتیکول لابستر (نوعی خرچنگ) آمریکایی هوماروس آمریکنوس به عنوان مدلی از مواد کامپوزیت زیستی کانی مورد آزمایش قرار گرفته است. آزمایشها با نانو دندانه روشی توانمند برای آشکارسازی گرادیان و ناهمگونی در مشخصات سختی و الاستیسته چنین موادی است. نمونه های آزمایشی از قسمتهای مختلف اعضای پنجه خوردکن گرفته شده بودند و دارای عملکردهای مختلف بودند، توسط هوا خشک شدند.

. هر دو لایه اگزوکوتیکول و اگزوکوتیکول در به صورت عادی و عرضی نسبت به سطح کوتیکول مورد آزمایش قرار گرفتند. برای ارزیابی میزان کانی بودن نمونه ها با برش کوتیکول آنها و توسط نقشه برداری با اشعه ایکس پراکنده بررسی شدند. ساختار ریزساختار شکست سطوح نمونه های آزمایش توسط اسکن میکروسکوپی الکترونها تحت بررسی قرار گرفتند. به دلیل طرز خشک کردن نمونه ها، نتایج ما دقیقا مشابه مشخصات کوتیکولی که به صورت طبیعی خشک شده نیستند، اما این نتایج میتوانند به صورت تقریبی نسبت به نمونه های زنده در نظر گرفته شوند.

II. مواد و روشها

A.آماده سازی نمونه

نمونه هایی که برای آزمایش با نانو دندانه حاضر مشدند شامل پنجه لابستر آمریکایی (هوماروس آمریکنوس) بودند که از یک فروشگاه مواد غذایی تهیه میشدند و میبایستی بزرگ، بالغ، خشک شده با هوا و بدون پوست اندازی میبودند. سه نقطه در نمونه ها به عنوان نقاط آزمایش انتخاب میشدند، نقطه اول (سی1، شکل 4 اِی) و دوم (سی2، شکل 4 اِی) در بالای پنجه قرار داشتند (به عنوان پوسته)، و نقطه سوم در برآمدگی بزرگ تقویت شده پنجه بود که برای خرد کردن طعمه مورد استفاده قرار میگیرد و محل آن در لبه داخلی انگشت غیر متحرک پنجه بود (سی3، شکل 4اِی). برای هر نقطه 3 نمونه مورد آزمایش قرار گرفتند. هر یک از نمونه ها به 4 قسمت شکافته شدند و دو قطعه از آنها به صورتی به هم چسبانیده شدند که سطح آنها به سمت بالا بود و دو قطعه دیگر طوری که محل برش آنها به سمت بالا در نگهدارنده نمونه بود. نگهدارنده نمونه قطعه ای است که جنس آن از فولاد مغناطیس بوده، به صورت مسطح است و قطر آن 12 میلیمتر و ارتفاع آن 3 میلیمتر است و دارای چسب دو قلو (UHU  بعلاوه   ndfest 300, UHU GmbH, Brühl,  آلمان) برای ثابت نگه داشتن میباشد (شکل 4 بی).

شکل 2، ساختار کوتیکول هوماروس آمریکنوس ، نمایش شماتیک، و اسکن میکروگراف الکترون از برش کوتیکول نمونه.

B. نانو دندانه

تست نانو دندانه توسط هیسترون تریبو-ایندنتر (شرکتHysitron ، Minneapolis, MN) که مجهز به مبدل یک بعدی است انجام میگیرد تا حداکثر توان در فرو رفتن دندانه یعنی 12 mN حاصل شود. برای برش ما به نوک الماس برکوویچ نیازمندیم. برای ارزیابی عملکرد بارگذاری، الگوهای مثلثی و ذوزنقه ای طراحی شدند. بار حداکثر به میزان 1000 N با نرخ 200 N/s باگذاری و برداشته شد. زمانهای نگهداری با به ترتیب از 0 تا 20 ثانیه انجام شد. نمونه هایی که قسمت برش آنها به سمت بود به صورت عرضی هم در لایه اندوکوتیکول و هم لایه اگزوکوتیکول بارگذاری شدند و نمونه هایی که سطح آنها به سمت بالا بود در جهت طولی بارگذاری شدند. در هر محل فرورفتگی، 3 تکه الگوی مربعی وجود داشت که شامل 100 فرورفتگی با فواصل 5 m  بود. عملکرد نقاط برای تماس با نقطه اِی سی با ارزیابی استاندارد پلیمتال-متاکریلات به دست آمده بود.

جدول یک، مقایسه میزان سختی متوسط در بازه های زمانی مختلف (0 یا 20 ثانیه) گرفته شده از نمونه های سی1، سی2، و سی3. جدول 2، مقایسه میزان کاهش متوسط مدول الاستیسیته (که در متن با عنوان سفتی یاد شده) در بازه های زمانی مختلف (0 یا 20 ثانیه) گرفته شده از نمونه های سی1، سی2، و سی3.

V. نتیجه گیری

در این مقاله ما به آزمایش مشخصات مکانیکی اگزوکوتیکول و اندوکوتیکول خشک شده پنجه لابستر هوماروس آمریکنوس با به کارگیری فناوری نانو دندانه پرداختیم.

برای یافتن ناهمگونی و گرادیان در کوتیکول، نقاط مختلفی برای نفوذ دندانه انتخاب شدند. با توجه به خشک کردن کوتیکول، احتمال میدهیم که نتایج به دست آمده برای سختی و سفتی مواد بیشتر از میزانی باشد که به کوتیکول خشک شده طبیعی تعلق دارد که شاید علت آن خشک شدن یکنواخت کوتیکول و کانی بودن آن باشد. آزمایشهای کیفی EDX  و

SEM  چندین عامل تاثیرگذار در سختی و سفتی را روشن کردند. تراکم انباشته لایه بولیگند باعث افزایش سفتی و سختی در اندوکوتیکول و اگزوکوتیکول میشود. هرچند گرادیان از میزان کانی بودن تاثیر میپذیرد. میزان سفتی و سختی در اگزوکوتیکول که دارای شیارهای تقویت شده است و برای خرد کردن به کار میرود، دوبرابر است. با ایجاد تغییراتی در تراکم انباشته و میزان کانی بودن، رابطه بین لایه های اندوکوتیکول و اگزوکوتیکول مشخص میشود. با توجه به بافت فیبری اندوکوتیکول ، یک ناهمگونی مجزا در مشخصات مکانیکی آن به وجود می آید که منجر به سختی و سفتی حداکثر در سمت عرضی در آن میشود. بر عکس سختی و سفتی حداکثر در اگزوکوتیکول در سمت طولی دیده شده است. تراکم انباشتگی بیشتر لایه های خم شده و همچنین میزان مضاعف کانی بودن در اگزوکوتیکول باعث پیدایش مشخصات مکانیکی متفاوت و بیشتر شدن بافت فیبر در آن میشود.

 



 

Hardness and elastic properties of dehydrated cuticle from

the lobster Homarus americanus obtained by nanoindentation

The mechanical properties of biological materials are well adjusted to their function. An excellent example for such materials is the cuticle or exoskeleton of arthropods. In this study, dehydrated cuticle of the American lobster Homarus americanus was examined as a model for a mineralized biological composite material. Nanoindentation testing is a powerful method for revealing gradients and anisotropy in the hardness and the elastic properties of such materials. The air-dried test specimens stem from different parts of the crusher claw with different biological functions. Both the exocuticle and the endocuticle were probed in normal and in the transverse direction to the cuticle surface. For estimating variations in the grade of mineralization, the samples which were tested as cross-sections of the cuticle were analyzed by the use of energy dispersive x-ray mapping. The microstructure of fracture surfaces of the test

specimens was investigated using scanning electron microscopy. Due to the use of dehydrated samples, our results do not reflect the exact properties of lobster cuticle in the natural hydrated state, but they can be regarded as a fairly good approximation to the in vivo state.

 

II. MATERIAL AND METHODS

A. Sample preparation

The specimens used for nanoindentation were taken from the air-dried crusher claw of a large adult, nonmolting American lobster (Homarus americanus) bought from a local food supplier. Three locations were chosen as sampling points, the first [C1, Fig. 4(a)] and the second

one [C2, Fig. 4(a)] were located on the upper surface of the claw (referred to as the “shell”), and the third one was taken from one of the large reinforced ridges used for crushing prey, which are located on the inner edge of the immobile finger of the claw [referred to as “tooth,”

C3 in Fig. 4(a)]. From each location, three samples were examined. Each of these samples was cleaved into four smaller pieces from which one was glued with its cross section pointing upward and two with their surface pointing upward to the sample holders. Flat magnetic steel

disks with a diameter of 12 mm and a height of 3 mm were used as sample holders in combination with a twocomponent adhesive (UHU plus endfest 300, UHU

GmbH, Brühl, Germany) for fixation [Fig. 4(b)].

FIG. 2. Organization of the cuticle of Homarus americanus, schematic representation, and scanning electron micrograph of a cross section through the cuticle of a cheliped.

 

B. Nanoindentation

The nanoindentation tests were performed using a Hysitron Tribo-Indenter (Hysitron Inc., Minneapolis, MN) equipped with 1D-transducer enabling a maximum indentation

force of up to 12 mN. For indenting, we used a Berkovich diamond tip. As a load function, a triangular and trapezoidal course was designed. The maximum load of 1000 _N was applied and removed at a rate of 200 _N/s. The holding time was defined as 0 or 20 s, respectively. The samples with their cross section pointing upward were indented in transverse direction both in

the exo- and endocuticle, and the samples with their surface pointing upward were indented in the normal direction. On each indentation site, three quadratic patterns composed of 100 indents with a spacing of 5 _m were placed. The area function to obtain the contact area Ac

was derived from measuring a polymethyl-methacrylate (PMMA) standard.

TABLE I. Comparison of average hardness values for different holding times (0 or 20 s) obtained for samples C1, C2, and C3. TABLE II. Comparison of average reduced elastic modulus (referred to as stiffness in the discussion) for different holding times (0 s or

20 s) obtained for samples C1, C2, and C3.

V. CONCLUSIONS

In this study, we examined the mechanical properties of dehydrated exocuticle and endocuticle from the claws of the lobster Homarus americanus by employing nanoindentation.

To detect anisotropy and gradients in the cuticle, different indentation sites were chosen. Although the obtained values for hardness and thickness of the material are undoubtedly higher than those for cuticle in the natural hydrated state it is unlikely that the gradients

and anisotropy differ greatly due to the presumably uniform effect of hydration and the high grade of mineralization of lobster cuticle. The SEM and qualitative EDX examinations revealed several factors influencing hardness and stiffness. The stacking density of the Bouligand

layers leads to an increase of the hardness and stiffness from the endocuticle to the exocuticle. This gradient is further affected by the grade of mineralization. In the case of the specialized reinforced ridges used for crushing (tooth), the exocuticle is almost twice as hard and

stiff as the exocuticle of the neighboring claw parts (shell). The interface between the exocuticle and the endocuticle is well defined by a change in the stacking density and the grade of mineralization. Due to the pronounced fiber texture, a distinct anisotropy of the mechanical properties emerges in the endocuticle, which results in maximum hardness and stiffness

in the transverse direction. In contrast, the maximum hardness and stiffness in the exocuticle were observed in the normal direction. The higher stacking density of the twisted plywood layers and the increased grade of mineralization in the exocuticle might lead to different mechanical

properties and outweigh the influence of the fiber texture.