WERSJA POLSKA

ZESZYT 325

Bożena Gładyszewska
Metoda badania wybranych mechanicznych właściwości cienkowarstwowych materiałów biologicznych

W pracy przedstawiono nową metodę badania właściwości mechanicznych cienkowarstwowych materiałów biologicznych – metodę losowych znaczników.

W świetle rozeznania literaturowego za najważniejsze właściwości wytrzymałościowe materiałów należy uznać moduł Younga, współczynnik Poissona oraz naprężenie krytyczne. Z tego względu głównym celem pracy było udzielenie odpowiedzi na pytanie, czy możliwe jest doświadczalne wyznaczenie podstawowych mechanicznych właściwości cienkowarstwowych materiałów biologicznych przy jednoczesnym uniknięciu negatywnego wpływu efektów brzegowych, powszechnie występujących w testach naprężeniowych. Tym samym konieczne było przeprowadzenie przeglądu aktualnie stosowanych metod badawczych, dokonanie oceny możliwości ich adaptacji do badania materiałów biologicznych, ewentualnie opracowanie nowej metody badawczej opartej na uzyskanych w trakcie tych prac doświadczeniach.

Weryfikacji poddano jedną z najnowocześniejszych metod badania właściwości mechanicznych, metodę analizy fourierowskiej odkształcenia periodycznej sieci złota nanoszonej na badany materiał. Przeprowadzone badania wykazały jednak poważne ograniczenia w stosowalności tej metody, związane z tym, że do nanoszenia sieci złota konieczny jest specjalistyczny sprzęt (komora próżniowa z możliwością zastosowania rozpylania katodowego), nanoszenie sieci złota jest niemożliwe dla materiałów wilgotnych, możliwe jest zniekształcenie wyników przez usztywnienie siecią złota warstwy przypowierzchniowej badanego materiału. Pojawiła się więc konieczność opracowania nowej metody wolnej od wymienionych wad.

W pracy zaproponowano nową metodę opartą na analizie obrazu i wzajemnych położeń losowo naniesionych znaczników na badany materiał. W celu przeprowadzenia pomiarów weryfikujących użyteczność proponowanej metody zaprojektowano i skonstruowano stanowisko badawcze. Jako materiału testowego użyto okryw nasiennych fasoli świeżej i blanszowanej oraz okryw nasiennych bobu świeżego, suchego i mrożonego. Przeprowadzono także testy naprężeniowe okryw nasiennych fasoli i bobu w trakcie procesu kiełkowania, czyli procesu opartego na naturalnym nawadnianiu nasion, a więc i ich okryw nasiennych, tym samym w istotny sposób wpływającego na właściwości mechaniczne badanego obiektu. Tak zróżnicowane pod względem właściwości mechanicznych cienkowarstwowe materiały bardzo dobrze odpowiadały realizacji celów pracy.

Badania wykazały, że metoda losowych znaczników pozwala uniknąć wielu ograniczeń i błędów charakterystycznych dla innych metod badania właściwości mechanicznych materiałów biologicznych. Jej najważniejszą zaletą jest uniezależnienie uzyskiwanych wyników od efektów występujących w obszarach brzegowych próbki, czyli w pobliżu zacisków maszyny wytrzymałościowej. Metoda ta umożliwia dokonanie pomiarów w dobrze zdefiniowanym, wybranym miejscu badanego materiału. Nawet w przypadku częściowego uszkodzenia próbki, możliwa jest kontynuacja eksperymentu i obserwacja zmian we wzajemnych położeniach znaczników naniesionych na nieuszkodzony obszar badanej struktury. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu stałego przyrostu siły zamiast stałego przyrostu odkształcenia, stosowanego w większości klasycznych maszyn wytrzymałościowych.

Zastosowania proponowanej metody nie są oczywiście ograniczone do okryw nasiennych. Badaniu mogą być poddane praktycznie wszystkie materiały, pozwalające na wyekstrahowanie próbki cienkowarstwowej. Metoda z powodzeniem może być stosowana w przypadku takich materiałów biologicznych, jak liście roślin, łodygi, źdźbła, skórki owoców i warzyw, skóra zwierząt, ale także np. warzywa korzeniowe. Tym samym metoda losowych znaczników może znaleźć szerokie zastosowania – zarówno w naukach rolniczych, jak i materiałowych. Stanowi jednak przede wszystkim nowe, użyteczne narzędzie w badaniu mechanicznych właściwości biologicznych materiałów cienkowarstwowych.