تحلیل ارتعاشات حسگر جرمی گرافنی به کمک شبیه سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 استادیار، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

گرافن یکی از جوان­ترین اعضا خانواده نانو مواد کربنی است که با ساختاری دوبعدی، از خواص فوق‌العاده­ای برخوردار است که می­تواند به عنوان حسگر جرمی نیز استفاده شود. با توجه به کاربردهای ویژه حسگر جرمی گرافنی، در این مقاله رفتار ارتعاشی حسگرهای جرمی با روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفته و تغییرات فرکانس طبیعی حسگر در اثر افزایش ابعاد صفحه در دو راستای زیگزاگ و آرمچیر تحت بررسی قرارگرفته است. بدین منظور، در ابتدا یک صفحه گرافن مربعی در محیط دینامیک مولکولی ایجاد شده و جابجایی ذرات از روش دینامیک مولکولی به­دست آمده است. جابجایی­ها با استفاده از روش تجزیه فرکانسی تحلیل و فرکانس طبیعی اول حسگر محاسبه شده است. این مراحل، برای ابعاد دیگری از صفحات گرافنی که در راستای زیگزاگ و آرمچیر تغییر اندازه داشته‌اند نیز انجام گرفته است. همچنین به منظور صحه گذاری، فرکانس طبیعی حاصل با نتایج یکی از نظریه­های مکانیک محیط پیوسته مقایسه شده است. در ادامه با بررسی قابلیت سنجش جرمی صفحه گرافنی با وجود ذرات متمرکز طلا روی آن، حساسیت صفحه گرافنی به جرم ذرات متمرکز محاسبه و ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]         Tsiamaki A.S., Georgantzinos S.K., and Anifantis N.K., Monolayer graphene resonators for mass detection: A structural mechanics feasibility study. Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 217, pp. 29-38, 2014.
[2]         Lee C., Wei X.,Kysar J.W., and Hone J., Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, Vol. 321, No.5887, pp. 385-8, 2008.
[3]         Yang L., Park C.W., Son Y.W., Cohen M.L., and Louie S.G., Quasiparticle Energies and Band Gaps in Graphene Nanoribbons. Physical Review Letters, Vol. 99, No.18, pp. 186801, 2007.
[4]         Zhang C., Kang W., and Wang J., Thermal conductance of one-dimensional materials calculated with typical lattice models. Physical Review E, Vol. 94, No.5, pp. 052131, 2016.
[5]         Arash B., Wang Q., and Varadan V.K., Carbon Nanotube-Based Sensors for Detection of Gas Atoms. Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine, Vol. 2, No.2, pp. 021010-02101, 2011.
[6]         Sakhaee-Pour A., Ahmadian M.T., and Vafai A., Applications of single-layered graphene sheets as mass sensors and atomistic dust detectors. Solid State Communications, Vol. 145, No.4, pp.  168-172, 2008.
[7]         Mohammadi M., Ghayour M., and Farajpour A., Free transverse vibration analysis of circular and annular graphene sheets with various boundary conditions using the nonlocal continuum plate model. Composites Part B: Engineering, Vol. 45, No.1, pp. 32-42, 2013.
[8]         Sarrami-Foroushani, S. and Azhari M., Nonlocal vibration and buckling analysis of single and multi-layered graphene sheets using finite strip method including van der Waals effects. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures,.Vol. 57, pp. 83-95, 2014.
[9]         Ghashochi-Bargh H. and Razavi S., A simple analytical model for free vibration of orthotropic and functionally graded rectangular plates. Alexandria Engineering Journal, Vol. 57, No.2, pp.595-607, 2017.
[10]       Pradhan S.C. and Phadikar J.K., Nonlocal elasticity theory for vibration of nanoplates. Journal of Sound and Vibration, Vol. 325, No.1, pp. 206-223, 2009.
[11]       Adhikari S. and Chowdhury R., Zeptogram sensing from gigahertz vibration: Graphene based nanosensor. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol. 44, No.7, pp. 1528-1534, 2012.
[12]       Shen Z.B., Tang H.L., Li D.K., and Tang G.J., Vibration of single-layered graphene sheet-based nanomechanical sensor via nonlocal Kirchhoff plate theory. Computational Materials Science, Vol. 61, pp. 200-205, 2012.
[13]       Arash B., Wang Q., and Duan W.H., Detection of gas atoms via vibration of graphenes. Physics Letters A, Vol. 375, No.24, pp. 2411-2415, 2011
[14]       Sadeghzadeh S., Nanoparticle mass detection by single and multilayer graphene sheets: Theory and simulations. Applied Mathematical Modelling, Vol. 40, No.17–18, pp. 7862-7879, 2016.
[15]       Gong X., Jiang S., Wang X., Liu S., and Wang S.,. Finite element analysis of graphene resonator tuned by pressure difference. in 2014 15th International Conference on Electronic Packaging Technology. 2014.
[16]       Wang J., Xu C., Hu H., Wan L., Chen R., Zheng H., Liu F., Zhang M., Shang X., and Wang X., Synthesis, mechanical, and barrier properties of LDPE/graphene nanocomposites using vinyl triethoxysilane as a coupling agent. Journal of Nanoparticle Research, Vol. 13, No.2, pp. 869-878, 2011.
[17]       Wang Q. and Arash B., A review on applications of carbon nanotubes and graphenes as nano-resonator sensors. Computational Materials Science, Vol. 82, pp. 350-360, 2014.
[18]       Jalali S.K., Naei M.H., and Pugno N.M., Graphene-Based Resonant Sensors for Detection of Ultra-Fine Nanoparticles: Molecular Dynamics and Nonlocal Elasticity Investigations. Nano, Vol. 10, No.2, pp. 1550024, 2014
[19]       Mirakhory M., Khatibi M.M., and Sadeghzadeh S., Vibration analysis of defected and pristine triangular single-layer graphene nanosheets. Current Applied Physics, Vol. 18, No.11, pp. 1327-1337, 2018.
[20]       Sadeghzadeh, S. and M.M. Khatibi, Vibrational modes and frequencies of borophene in comparison with graphene nanosheets. Superlattices and Microstructures, Vol. 117, pp. 271-282, 2018.
[21]       Li X., Xiao T., and Xiao N., The application of nonlocal theory method in the coarse-grained molecular dynamics simulations of long-chain polylactic acid. Acta Mechanica Solida Sinica, Vol. 30, No.6, pp. 630-637, 2017.
[22]       Rapaport D.C., The Art of Molecular Dynamics Simulation. 2 ed., Cambridge: Cambridge University Pres, 2004.
[23]       Wenzel, H., Ambient Vibration Monitoring, in Encyclopedia of Structural Health Monitoring., John Wiley & Sons, Ltd, 2009.
[24]       Le T.P. and Argoul P., Modal identification using the frequency-scale domain decomposition technique of ambient vibration responses. Journal of Sound and Vibration, Vol. 384, pp. 325-338, 2016
[25]       Rune B., Lingmi Z., and Palle A., Modal identification of output-only systems using frequency domain decomposition. Smart Materials and Structures, Vol. 10, No.3, pp. 441, 2001.
[26]       Brandt, A., Noise and vibration analysis : signal analysis and experimental procedures. 1 ed, John Wiley & Sons, 2011.
[27]       Ewins, D.J., Modal Testing: Theory, Practice and Application (Mechanical Engineering Research Studies: Engineering Dynamics Series). Wiley, 2003.
[28]       Sadeghzadeh S. and Khatibi M.M., Modal identification of single layer graphene nano sheets from ambient responses using frequency domain decomposition. European Journal of Mechanics - A/Solids, Vol. 65, pp. 70-78, 2017