استفاده از مدل‌های تماس کروی در مدل‌سازی منیپولیشن سه‌بعدی نانوذرات طلا با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی جهت محاسبه‌ی نیرو و زمان بحرانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

امروزه منیپولیشن با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی به‌عنوان یکی از روش‌های نوین ساخت تجهیزات مقیاس میکرو/نانو مورد توجه محققین قرار گرفته است.ازآنجاکه این روش نیاز به فرآیندهای دقیق و پیچیده داشته و هزینه‌های بالایی را دربردارد، لذا پیش از انجام هرگونه کار تجربی بایستی به مدل‌سازی دقیق آن پرداخت.مدل‌سازی دقیق فرآیند منیپولیشن سه‌بعدی از چهار بخش عمده شامل سینماتیک، دینامیک، اصطکاک و تماس تشکیل شده است. مدل‌سازی استاتیکی و دینامیکی منیپولیشن سه‌بعدی پیش‌ازاین توسط محققین مختلف بررسی شده است، اما به مدل‌سازی اصطکاکی و تماسی توجه کمتری شده است. در این مقاله برای نخستین بار چهار مدل تماسی کروی، شامل مدل‌های هرتز، جی‌کاآر، دی‌اِم‌تی و بی‌سی‌پی جهت نانومنیپولیشن سه‌بعدی توسعه یافته و به کار برده شده‌اند. هدف از کاربرد این مدل‌ها، بررسی اثر آن‌ها بر نیرو و زمان بحرانی در منیپولیشن سه‌بعدی به‌منظور مدل‌سازی دقیق حرکت نانوذره بر روی سطح مبنا می‌باشد. نتایج به دست آمده بیانگر آن است که مدل تماسی هرتز به دلیل صرف‌نظر از نیروهای چسبندگی کم‌ترین مقدار نیرو و زمان بحرانی را نشان می‌دهد، همچنین نتایج نشان می‌دهد که غلتش ذرات حول محور xبه‌عنوان محتمل‌ترین مد حرکتی، و لغزش در راستای محور x به‌عنوان کم‌احتمال‌ترین مد حرکتی خواهند بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] KorayemM. H., SadeghzadehS., RahneshinV., HomayooniA., and SafaM., Precise manipulation of metallic nanoparticles: Multiscale analysis,Computational Materials Science, Vol. 67, pp. 11-20, 2013.
[2] KorayemM. H., SadeghzadehS., and HomayooniA.,  Coupled dynamics of piezo-tube and microcantilever in scanning probe devices and sensitive samples imaging,IET Micro & Nano Letters, Vol. 7, No. 9, pp.986-990, 2012.
[3] KorayemM. H., SadeghzadehS., and HomayooniA., Effects of macro-scale uncertainties on the imaging and automatic manipulation of nanoparticles. Journal of nanoparticle research, Vol. 15, No. 1, pp.1-17, 2013.
[4] ShenY., NakajimaM., AhmadM. R., KojimaS., HommaM., and FukudaT., Effect of ambient humidity on the strength of the adhesion force of single yeast cell inside environmental-SEM, Journal of Ultramicroscopy, Vol. 111, No. 8, pp. 1176-11831-8, 2011.
[5] StarkR. W., Rubio-SierraF. J., ThalhammerS., and HecklW. M., Combined nanomanipulation by atomic force microscopy and UV-laser ablation for chromosomal dissection,Journal of European Biophysics, Vol. 32, pp. 33-39, 2003.
[6] StarkR. W., ThalhammerS., WienbergJ. and HecklW. M., The AFM as a tool for chromosomal dissection – the influence of physical parametersJournal of Applied Physics. A: Materials Science & Processing, Vol. 66, pp. 579-584, 1998.
[7] SchaapA. T., CarrascoC., PabloP., MacKintoshF. C. and SchmidtC. F., Elastic response, buckling, and instability of microtubules under radial indentation,Biophysical Journal, Vol. 91, pp. 1521-1531, 2006.
[8] NarangV., WongS. Y., LeongSh. R., AbastadoJ. P. and GouaillardA., Comparing mathematical modelsMathematical Models of cell adhesionCell Adhesion in tumors,Defense Science Research Conference and Expo (DSR), pp. 1-4, 2011.
[9] MoradiM., FereidonA. H. and SadeghzadehS., Dynamic modeling for nanomanipulation of polystyrene nanorod by atomic force microscope,Scientia Iranica, Vol. 18, No. 3, pp. 808-815, 2011.
[10] KorayemM. H., RahneshinV. and SadeghzadehS., Nano cluster manipulation success considering flexibility of system: Coarse grained molecular dynamics simulations, Scientia Iranica, Vol. 19, No. 5, pp. 1288-1298, 2012.
[11] KorayemM. H., RahneshinV. and SadeghzadehS., Coarse-grained molecular dynamics simulation of automatic nanomanipulation process: The effect of tip damage on the positioning errors, Computational Materials Science, Vol. 60, pp. 201-211, 2012.
[12] KorayemM. H., SadeghzadehS. and RahneshinV., A new multiscale methodology for modeling of single and multi-body solid structures, Computational Materials Science, Vol. 63, pp. 1-11,2012.
[13] WuJ. J., Adhesive contact between a cylinder and a half-space, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 42, pp. 1-8, 2009.
[14] SundaramM., FarrisT. N. and ChandrasekarS., JKR adhesion in cylindrical contacts, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 60, pp. 37-54, 2012.
[15] T. Liu, G. Liu, P. Wriggers, and Sh. Zhu, Study on contact characteristicContact Characteristic of nanoscale asperitiesNanoscale Asperities by using molecular dynamics simulations, Journal of Tribology, Vol. 131, pp. 1-10, 2009.
[16] J. L. Lioua, Ch. M. Tsaib, and J. F. Lin, A microcontact model developed for sphere- and cylinder-based fractal bodies in contact with a rigid flat surface, Wear, Vol. 268, pp. 431-442, 2010.
[17] SittiM. and HashimotoH., Teleoperated touch feedback from the surfaces at the nanoscale modeling and experiments, ASME Transaction on Mechatronics, Vol. 8, No. 2, pp. 287-298, 2003.
[18] KorayemM. H.and TaheriM., Modeling of various contact theories for the manipulation of different biological micro/nanoparticles based on AFM,Journal of nanoparticle research,Vol. 16, No. 1, pp. 1-18, 2014.
[19] KorayemM. H. and TaheriM., Simulating the Manipulation of Various Biological Micro/Nanoparticles by Considering a Crowned Roller Geometry, Arabian Journal for Science and Engineering, pp. 1-14, 2016.
[20] KorayemM. H., KhaksarH., HefzabadR. N. and TaheriM., Simulation of soft bacteria contact to be applied in nanomanipulation,Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 14, 2015. (In Persian).
[21] KorayemM. H., MahmoodiZ., TaheriM. and SaraeeM. B., Three-dimensional modeling and simulation of the AFM-based manipulation of spherical biological micro/nanoparticles with the consideration of contact mechanics theories, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, Vol. 229, No. 4, pp. 370-382, 2015.
[22] TaheriM.,3D-DynamicmodelingandsimulationofbiologicalnanoparticlemotionusingAFMnano–robot,ModaresMechanicalEngineering, Vol.15,No.12,pp.311-316,2015. (inPersian)
[23] TaheriM.,Using HK friction model in 3-D manipulation of Au nanoparticle motion in air environment,ModaresMechanicalEngineering, Vol.16,No.12,pp.311-316,2016. (inPersian)
[24] HertzH., Über die Berührung fester elastischer Körper, Journal für die reine und angewandte Mathematik, Vol. 92, pp. 156-171, 1881.
[25] JohnsonK. L., KendallK. and RobertsA. D., Surface energy and the contact of elastic solid, Proc. Roy. Soc. London A, Vol. 324, pp.301-313, 1971.
[26] DerjaguinB. V., MullerV. M. and ToporovYu. P., Effect of Contact Deformations on the Adhesion of Particles,Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 53, No. 2, pp.314-326, 1975.
[27]Burnham N. A. and KulikA. J., Surface forces and adhesion,Bhushan B (ed) Handbook of micro/nanotribology, Chap. 5. CRC Press LLC, Boca Raton, 1999.