تحليل ديناميك چندمقياسي ميكروسكوپ‌هاي پروبي براي شرايط محيطي مختلف و ابزار مختلف همراه با اثرات غير كلاسيك

دكتري

ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) كاربردهاي مختلف از جمله توپوگرافي و نانومنيپوليشن دارد. براي اينكه بتوان عملكرد AFM را هر چه دقيق‌تر مدلسازي كرد بايد ساختار و نحوه عملكرد آن بطور مناسبي مشخص شود. يكي از موارد با اهميت در بررسي عملكرد AFM، محدوده اندازه ذراتي است كه توسط AFM منيپوليشن (شامل عمليات¬هاي جابجايي، برش، كشش و نمونه¬برداري) مي¬شوند. از AFM براي منيپوليشن ذرات در محدوده ميكرو و نانو استفاده مي¬شود. در اين رساله سعي شده با ارائه رهيافتي مناسب به مدلسازي هر چه دقيق‌تر نانومنيپوليشن ذرات با ابعاد نانو بوسيله AFM پرداخته شود. اختلاف ابعاد اجزاء اصلي (ميكروتيرك و سوزن) در AFM كه در محدوده ميكرو قرار دارند با ذرات هدف كه در محدوده نانو مي¬باشند ايجاب مي¬كند كه براي مدلسازي در هر قسمت ابزاري متناسب با آن بخش بكار گرفته شود. ابزار مناسب براي مدلسازي در ابعاد ميكرو و بزرگتر، استفاده از روش¬هاي مبتني بر تئوري مكانيك محيط پيوسته مي¬باشد در حالي كه استفاده از مكانيك محيط پيوسته بدليل آنكه اجزاء در ابعاد نانو بصورت گسسته هستند از نظر صحت با ترديد روبرو است. از ابزار¬هاي مناسب براي مدلسازي در مقياس نانو، استفاده از روش ديناميك مولكولي مي¬باشد. راهكار عملي براي چنين سيستم-هايي كه داراي تنوع مقياس و ابزار مدلسازي هستند، بكار بردن روش‌هاي چند مقياسي مي‌باشد. با توجه به اينكه مقياس اجزاء اصلي AFM در محدوده ميكرو مي¬باشد، ضرورت دارد كه روش‌هاي مبتني بر مكانيك محيط پيوسته غيركلاسيك براي مدلسازي دقيق‌تر اين اجزاء بكار برده شود. به همين منظور در اين رساله با مدلسازي ساختار اجزاء اصلي AFM بر پايه تئوري غيركلاسيك تنش كوپله اصلاح شده، رهيافت چند مقياسي غيركلاسيك براي مدلسازي سه‌بعدي فرآيند نانومنيپوليشن ارائه گرديده است. لذا، ابتدا ساختار AFM به دو بخش ميدان ماكرو و ميدان نانو تقسيم شده و سپس با مدلسازي ميكروتيرك (به عنوان بخش مهم ميدان ماكرو) AFM بصورت يك ورق با استفاده از مدل كيرشهف بر پايه تئوري تنش كوپله اصلاح شده، ديناميك بخش ميدان ماكرو مورد توجه قرار گرفته است. بررسي اثرات اعمال ولتاژ بر روي نتايج فركانسي نشان داد كه ولتاژ بحراني (ولتاژي كه در آن فركانس طبيعي صفر مي¬شود) غيركلاسيك در هر ضخامت از حالت كلاسيك آن بيشتر است. در مرحله بعد، با تركيب معادلات ميدان ماكرو با معادلات بخش ميدان نانو (شامل نانوذره و محدوده اطراف آن در مقياس خود نانوذره كه با ديناميك مولكولي مدلسازي مي¬شوند) بوسيله رهيافت چند مقياسي، ديناميك نانوذره در منيپوليشن مدلسازي مي¬شود. پس از صحه‌گذاري مدل، نتايج براي نانومنيپوليشن بوسيله دو ميكروتيرك مستطيلي و خنجري و دو نوع سوزن ارائه گرديده است. نتايج نشان¬ مي¬دهد كه تغيير شكل اجزاء AFM در مدل غير كلاسيك كمتر از كلاسيك پيش¬بيني مي¬شود. مقايسه ميزان زاويه چرخش در دو ميكروتيرك¬ كاهش نسبت 1 به 10 زاويه چرخش در مدل غيركلاسيك نسبت به مدل كلاسيك را نشان مي¬دهد. در ادامه با مدلسازي نانومنيپوليشن انواع آلوتروپ¬هاي كربني، مانند نانولوله¬هاي كربني و فلورن¬ها، اثرات هندسي در نيروي نانومنيپوليشن و تغيير شكل¬هاي ايجاد شده در اين نانوذرات بررسي گرديده است. نتايج نشان داد عمق نفوذ ايجاد شده در روي بستر بوسيله نانوذره با شكل هندسه كره حدود 2 برابر نانوذره با شكل استوانه¬اي مي¬باشد. بر همين اساس در نانومنيپوليشن نانوذره با شكل هندسه كروي نيروي نانومنيپوليشن حدود 5.5 برابر در نانومنيپوليشن نانوذره با شكل استوانه¬اي مي-باشد. در بخش بعد، با ارائه پيشنهاد استفاده از حامل براي كاهش تخريب نانوذرات زيستي در حين نانومنيپوليشن، نانومنيپوليشن نانوذره زيستي DNA بر روي بسترهاي طلا، گرافن و سيليكوني در حالتي كه محفوظ در داخل يك حامل نانولوله كربني باشد مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نيرو نشان داد بطور كلي با استفاده از حامل، نيروي نانومنيپوليشن به شدت كاهش مي¬يابد. كاهش نيرو در بستر طلا حدود 75%، گرافن 50% و در روي بستر سيليكوني حدود 80% مي¬باشد. در نهايت با مدلسازي جريان مايع بر روي ميكروتيرك در ميدان ماكرو با استفاده از معادلات ناوير-استوكس بصورت جريان خزشي و كوئت و همچنين بهره¬گيري از مدل درشت‌مولكول براي مدلسازي مولكول¬هاي آب در ميدان نانو، اثرات مايع و رطوبت در نانومنيپوليشن ارزيابي گرديده است. مقايسه نيروي نانومنيپوليشن در نسبت¬هاي مختلف رطوبت نشان داد، با افزايش درصد رطوبت نيروي ميانگين نانومنيپوليشن كاهش مي¬يابد. نيروي نانومنيپوليشن در رطوبت 0% و 100% به ترتيب داراي مقدار ماكزيمم و مينيمم مي¬باشد. نسبت نيرو در حالت رطوبت 0% به 100% حدود 6 برابر مي¬باشد.

190049

دانشگاه علم و صنعت ايران

طراحي كاربردي

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم