مدل‌سازی دینامیکی نانومنیپولیشن دو بعدی نانوذره با استفاده از میکروسکوپ اتمی (AFM) در محیط مایع و بررسی پارامترهای هیدرودینامیکی و هندسی در آن

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، قطب علمی مکانیک جامدات تجربی و دینامیک، دانشکده ی مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده ی مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده ی مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

مقدمه: مدل‌سازی منیپولیشن ذره با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی در محیط هوا انجام گردید و رفتار دینامیکی ذره و انتهای پروب مورد مطالعه قرار گرفت. در این مقاله منیپولیشن نانوذرات در محیط مایع با استفاده از پروب Atomic force microscope (AFM) مدل‌سازی شد و با نتایج محیط گاز مقایسه گردید.روش‌ها: در این تحقیق با استفاده از آنالیز تئوریک نیروها در محیط مایع و دینامیک راندن نانوذره، منیپولیشن نانوذره‌ی مصنوعی مورد بررسی قرار گرفت. در این حالت نیروهای هیدرودینامیکی و کشش سطحی در محیط مایع محاسبه شد و در مدل به کار گرفته شد. مسأله برای یک ذره‌ی کروی از جنس طلا بر روی زیر ساختی از سیلیکون در زیر آب شبیه سازی گردید.یافته‌ها: نتایج نشان داد که نیرو و زمان بحرانی برای شروع حرکت ذره در محیط آب در حالت لغزشی و غلتشی در حدود 7 درصد بود و 3 درصد نسبت به محیط هوا تأخیر داشت. علاوه بر آن با تغییر موقعیت تماس کانتیلور با سطح مایع، میزان مقادیر بحرانی در حدود 9 درصد در لغزش و 5/10 درصد در غلتش تأخیر نسبت به هوا را نشان داد.نتیجه‌گیری: تمامی این نتایج نشان از تأخیر اندکی در زمان حرکت و کاهش شیب تغییرات نیرو در محیط مایع نسبت به محیط هوا دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Dynamic Modeling of 2D Nano-Manipulation based on Atomic Force Microscopy in Liquid Medium and Studying the Hydrodynamic and Geometric Parameters of the Model

نویسندگان [English]

  • Moharram Habibnejad Korayem 1
  • Maneezheh Zakeri 2
  • Ali Motaghi 3
1 Professor, Center of Excellence in Experimental Solid Mechanics and Dynamics, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Background: Dynamic behaviors of probe tip and nanoparticles have been investigated by modeling the manipulation of nanoparticles in the air using atomic force microscopy (AFM) as a nano manipulator. This study evaluated the manipulation of submerged nanoparticles in liquid environment.Methods: The artificial nanoparticle manipulation was analyzed by theoretical analysis of forces in liquids and dynamics of spherical nanoparticle pushing. Hydrodynamic drag force and surface tension of the liquid were then calculated and used in the new dynamic modeling. The problem was simulated for a gold nanoparticle on a silicon substrate in water.Results: The results showed that the required manipulation force and time for nanoparticle sliding and rolling increased by respectively 7% and 3% in water as compared to the air. Moreover, for various submerged lengths of the cantilever in water, the critical values related to sliding and rolling were delayed for 9% and 10.5%, respectively.Conclusion: The required critical force and time for the manipulation in water showed a little increase over the existing values for air.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano-manipulation
  • Atomic force microscopy
  • Liquid medium

مراجع

  1. Sitti M, Hashimoto H. Force controlled pushing of nanoparticles: modeling and experiments. Proceedings of IEEE/ASME International Conference. 1999.
  2. Tafazzoli A, Sitti M. Dynamic Behavior and Simulation of Nanoparticle Sliding During Nanoprobe-Based Positioning. Proceedings of International Mechanical Engineering Congress and Exposition. 2004 November 13 – 19; Anaheim, California; 2004. p. 965-72.
  3. Habibnejad Korayem M, Zakeri M. Sensitivity analysis of nanoparticles pushing critical conditions in 2-D controlled nanomanipulation based on AFM. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2009; 41(7-8): 714-26.
  4. Resch R, Lewis D, Meltzer S, Montoya N, Koel BE, Madhukar A, et al. Manipulation of gold nanoparticles in liquid environments using scanning force microscopy. Ultramicroscopy 2000; 82(1-4): 135-9.
  5. Frank BP. Intermolecular Forces of Marine Adhesive Molecules. [PhD Thesis]. New York, NY: Rensselaer Polytechnic Institute; 2001.
  6. Jones RE, Hart DP. Force interactions between substrates and SPM cantilevers immersed in fluids. Tribology International 2005; 38(3): 355-61.
  7. Gauthier M, Regnier S, Rougeot P, Chaillet N. Forces analysis for micromanipulations in dry and liquid media. Journal of Micromechatronics 2006; 3(3-4): 389-413.
  8. Gauthier M, Nourine M. Capillary Force Disturbances on a Partially Submerged Cylindrical Micromanipulator. IEEE Transactions on Robotics 2007; 23(3): 600-4.
  9. Israelachvili JN. Intermolecular and surface forces. 2nd ed. New York, NY: Academic Press; 2007.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 19 مرداد 1390
  • تاریخ بازنگری: 19 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار