دفاعیه دکتری در دانشکده مهندسی مکانیک

  نازیلا ابراهیمی، دانشجوی دوره دکتری  دانشکده مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی، یازدهم بهمن ماه سال90، از رساله خود با عنوان «تحلیل دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی مود ضربه ای در هوا و مایع در مقیاس نانو» دفاع خواهد نمود.

  چکیده این پایان‌نامه که راهنمایی آن را پروفسور حبیب‌نژاد کورایم بر عهده دارند به شرح زیر می‌باشد.

  هدف از انجام این تحقیق بررسی و تحلیل دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی مود ضربه ای در شرایط محیطی هوا و مایع می باشد. میکروسکوپ نیروی اتمی به عنوان ابزاری قدرتمند و نوین در زمینه عکسبرداری از سطوح، تعیین مشخصات مکانیکی مواد و جابجایی ذرات در مقیاس نانو شناخته می شود. در مود ضربه ای این سیستم، یک میکروتیرک با ارتعاش خود مدام به سطح ضربه می زند و سیستم کنترلی فاصله آن را از سطح از طریق حس کردن دامنه ارتعاشی ثابت نگه می دارد. مود ضربه ای به دلیل کاهش آسیب به نمونه مورد توجه است. دینامیک این سیستم تحت تأثیر نیروهای تداخلی بین سر سوزن و سطح نمونه که بسیار غیرخطی، سریعا متغیر و هیسترتیک است، می باشد. در میکروسکوپ نیروی اتمی شناخت از دنیای نانو توسط اندازه گیری مشخصه های فیزیکی تغییریافته حاصل می شود. شناخت بهتر از وابستگی رفتار سیستم به مشخصه های فیزیکی ما را قادر می سازد تا تصاویر و اندازه گیریهای دقیقتری داشته باشیم.

  در این تحقیق ابتدا مدلسازی دینامیکی سیستم به کمک معادله ارتعاشی تیر پیوسته ارائه می گردد و مدل ارائه شده با روش شبیه سازی پیشروی زمانی به همراه تابع مدیریت رخداد که مناسب دینامیک غیرخطی و هیبریدگونه این سیستم می باشد، به صورت عددی حل می گردد. سپس نیروهای محیطی مختلف در این مدلسازی اعمال می گردد و اثر این نیروها بر رفتار دینامیکی سیستم مورد بررسی قرار می گیرد. شبیه سازیهای صورت گرفته مطابقت خوبی را با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهند.

  در محیط هوا نسبت به خلأ نیروی مویینگی اضافه می گردد. نتایج شبیه سازی نشان دهنده آن هستند که نیروی مویینگی با وجود داشتن طبیعت پیچیده تأثیر نسبتا ساده ای بر رفتار دینامیکی سیستم دارد. نمودارهای کمینه جدایش سر سوزن از سطح نمونه نشانگر آن هستند که سه نوع مختلف رفتاری در فواصل مختلف وجود دارد که عبارتند از ارتعاش متناوب با دامنه کوتاه، ارتعاش متناوب با دامنه بلند و رفتار فرامتناوب یا آشوبگونه. شاخه های رفتار متناوب به پنجره هایی از رفتار نامنظم ختم می گردند.

  نتایج تحلیل دینامیکی در مایع نشانگر آن است که نیروهای هیدرودینامیکی وارده از طرف مایع سبب کاهش قابل توجهی در فرکانس تشدید و همچنین دامنه تشدید می گردد. فرمولاسیونهای مختلف ارائه شده برای اعمال تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی نتایجی ارائه می دهند که تا حدی به نتایج آزمایشگاهی نزدیک هستند، اما همه دارای درصدی خطا می باشند. نتایج ارائه شده نشانگر آن است که می توان با به کارگیری مشخصه های هندسی مناسب و مایع مناسب به افزایش فاکتور کیفیت ارتعاشی کانتیلور در محیط مایع کمک کرد. همچنین مشاهده گردید که یک کانتیلور که در هوا رفتار دوپایا از خود بروز می داد در مایع در حوالی فرکانس تشدید رفتاری تک پایا دارد.

  نتایج تحقیق در مورد به کارگیری نانولوله های کربنی به عنوان سوزن کانتیلور میکروسکوپ نشان دهنده آن است که نانولوله های کربنی بنابر ساختار خود می توانند تا حدی فرکانس تشدید را شیفت دهند. چنانچه از نانولوله های کربنی سفتتر استفاده گردد، رفتار سیستم مشابه رفتار میکروسکوپهای بدون سوزن نانولوله ای است، با این تفاوت که مزیت نسبت ابعاد بالا همچنان وجود دارد. در به کارگیری میکروسکوپهای مجهز به سوزن نانولوله کربنی در مایع نیز مشاهده گردید که دامنه ارتعاشی کمی کوچکتر از دامنه تشدید کانتیلور در هوا می باشد، اما همچنان فاکتور کیفیت دارای مقدار بزرگ مناسبی می باشد. بنابراین استفاده از سوزن نانولوله ای می تواند مزایای کارکرد در محیط مایع را به همراه حذف نیروهای هیدرودینامیکی قابل توجه و یا مشکلات تحریک در مایع را به همراه داشته باشد.

  کلمات کلیدی: میکروسکوپ نیروی اتمی مود ضربه ای، مویینگی، مایع، نانولوله کربنی، دینامیک