بررسی تأثیر پارامترهای ورودی مدل اصطکاکی اچ‌کا بر نیرو و زمان بحرانی در جابه‌جایی نانوذره طلا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• معین طاهری
• حامد فرجی

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

10.22067/jacsm.2023.80792.1160

چکیده

در مقیاس ماکرو نیروهای سطحی مانند اصطکاک و چسبندگی اهمیت کمی دارند و می‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد، اما در دنیای میکرو/نانو، این نیروها از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشند. بدین منظور، جهت شبیه‌سازی جابه‌جایی نانوذرات مبتنی بر میکروسکوپ نیروی اتمی، می‌توان از مدل‌های اصطکاکی مختلفی ازجمله مدل اصطکاکی اچ‌کا استفاده کرد. محاسبه دقیق نیرو و زمان بحرانی به‌ترتیب به‌منظور صدمه نزدن به ذره و رسیدن ذره به نقطه هدف در فرآیند جابه‌جایی امری مهم و ضروری می‌باشد. در این تحقیق، داده‌ها با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی در سه سطح جمع‌آوری شدند. مقدار نیرو و زمان بحرانی برای هر آزمایش محاسبه شد، سپس با کمک تجزیه‌وتحلیل به روش نسبت سیگنال به نویز به بررسی اثر پارامترهای ورودی مدل اصطکاکی اچ‌کا شامل، ، ، B و M بر کاهش نیروی بحرانی و افزایش زمان بحرانی در جابه‌جایی نانو‌ذره طلا با شعاع 50 نانومتر موجود بر روی بستر اکسید سیلیکون پرداخته‌شده است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، پارامتر B به‌عنوان اولین پارامتر و M به‌عنوان دومین پارامتر اثرگذار با پایین ترین نسبت سیگنال به نویز بر کاهش نیروی بحرانی و با بالاترین نسبت سیگنال به نویز برزمان بحرانی در سطح 3 به ترتیب با مقادیر 869/1- و 3419/0- می‌باشند.

کلیدواژه‌ها

• نانوذره طلا
• مدل اصطکاکی اچ‌کا
• جابه‌جایی نانوذره
• نیروی و زمان بحرانی
• میکروسکوپ نیروی اتمی

موضوعات

• مکانیک نانو ذرات

---

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of HK friction model input parameters on the force and critical time in gold nanoparticle manipulation

نویسندگان [English]

• Moein Taheri
• hamed faraji

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak.

چکیده [English]

In the macro scale, surface forces such as friction and adhesion are of little importance and can be ignored. But in the micro/nano world, these forces are of great importance. For this purpose, in order to simulate the manipulation of nanoparticles based on the atomic force microscope, various friction models can be used, including the HK friction model. Accurate calculation of force and critical time, respectively, in order not to damage the particle and to reach the target point in the manipulation process is important and necessary. In this research, data were collected using the Taguchi test design method in three levels. The amount of force and critical time were calculated for each test. Then, with the help of analysis using the signal-to-noise ratio method, to investigate the effect of the input parameters of the HK friction model including, , ,B and M The reduction of the critical force and the increase of the critical time in mamipulation the gold nanoparticle with a radius of 50 nm on the silicon oxide substrate have been discussed. Based on the obtained results, parameter B as the first parameter and M as the second parameter with the lowest signal-to-noise ratio on reducing the critical force and with the highest signal-to-noise ratio at the critical time at level 3 with values of -1.869 and -0.3419.

کلیدواژه‌ها [English]

• Gold nanoparticles
• HK friction model
• nanomanipulation
• critical force and time
• atomic force microscopy

مراجع

[1] M. Zakeri, and M. Kharazmi, “Modeling of Friction in Micro/Nano scale with Random Roughness Distribution,” Modares Mechanical Engineering, vol. 14, no. 11, 2015. (In Persian)

[2] M. Korayem, and H. Khaksar, “Choosing Nano medicine Stiffness using contact models, based on the atomic force microscopy with Analysis of the cancer cell elasticity modulus,” Research square, 2022.

[3] M. Korayem, and H. Khaksar, “Nanomanipulation of elliptic and cubic nanoparticles with consideration of the impact theories,” Applied Mathematical Modelling, vol. 90,pp. 101-113, 2021.

[4] M. Korayem, H. Khaksar, and M. Taheri, “Simulating the impact between particles with applications in nanotechnology fields (identification of properties and manipulation),” International Nano Letters, vol. 4, no. 4, pp. 121-127, 2014.

[5] S. Vlassov, B. Polyakov, L.M. Dorogin, A. Lõhmus, A. Romanov, I. Kink, E. Gnecco, and R. Lõhmus, “Real-time manipulation of gold nanoparticles inside a scanning electron microscope,” Solid State Communications, vol. 151, no. 9, pp. 688-692, 2011.

[6] M. Moreno-Moreno, P. Ares, C. Moreno, F. Zamora, C. Gomez-Navarro, and J. Gomez-Herrero, “AFM manipulation of gold nanowires to build electrical circuits”, Nano Letters, vol. 19, no. 8, pp. 5459-5468, 2019.

[7] S. Bathaee, “Sensitivity analysis of peripheral parameters in three dimentional nano-manipulation by using HK model,” Journal of Solid and Fluid Mechanics, vol. 9, no. 2, pp. 123-139, 2019. (In Persian)

[8] M. Taheri, “Application of atomic force microscopy in critical force and critical time extraction of 2D manipulation for gastric cancer tissue with different friction models,” Nanoscale, vol. 9, no. 1, pp. 136-145, (2022). (In Persian)

[9] S. Mohammadi, M. Moghadam, and H. Pishkenari, “Dynamical modeling of manipulation process in trolling-mode AFM,” Physical Review E, vol. 197, pp. 83-94, 2019.

[10] M. Taheri, “3D Modeling of Gold Nanoparticle Manipulation in Air Using HK Friction Model,” Modares Mechanical Engineering, vol. 16, no. 10, pp. 275-282, 2017. (In Persian)

[11] M. Habibnejad Korayem, H. Badkoobehhezaveh, and M. Taheri, “Experimental Determination of HT29 Cancerous Cell Surface Roughness by Atomic Force Microscopy to be Applied in Nanomanipulation,” Journal Of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 28, no. 1, pp. 111-122, 2017. (In Persian)

[12] H. Esfahani, V. Azimirad, and M. Zakeri, “Sliding Mode-PID Fuzzy controller with a new reaching mode for underwater robotic manipulators,” Latin American Applied Research, vol. 44, no. 3, pp. 253-258, 2014.

[13] M. Zakeri, and J. Faraji, “Dynamic modeling of nano/microparticles displacement in multi-point contact based on the Rumpf model,” Modares Mechanical Engineering, vol. 16, no. 8, pp. 120-130, 2016. (In Persian)

[14] P. Heidari, M. Salehi, B. Ruhani, V. Purcar, and S. Căprărescu, “Influence of Thin Film Deposition on AFM Cantilever Tips in Adhesion and Young’s Modulus of MEMS Surfaces,” Materials, vol. 15, no. 6, pp. 2102, 2022.

[15] G. Adams, S. Müftü, and N. Azhar, “A scale-dependent model for multi-asperity contact and friction,” Journal of  Tribology, vol. 125, no. 4, pp. 700-708, 2003.

[16] G. Adams, and S. Müftü, “Improvements to a scale-dependent model for contact and friction,” Applied Physics, vol. 38, no. 9, pp. 1402, 2005.

[17] J. Hurtado, and K. Kim, “Scale effects in friction of single–asperity contacts. I. From concurrent slip to single–dislocation–assisted slip,” Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 455, no. 1989, pp. 3363-3384, 1999.

[18] T. Hou, C. Su, and W. Liu, “Parameters optimization of a nano-particle wet milling process using the Taguchi method, response surface method and genetic algorithm,” Powder Technology, vol. 173, no. 3, pp. 153-162, 2007.

[19] J. Wang, and W. Wan, “Experimental design methods for fermentative hydrogen production: a review,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, no. 1, pp. 235-244, 2009.

[20] S. Boopathi, K. Sivakumar, and R. Kalidas, “Parametric study of dry WEDM using Taguchi method,” International Journal of Engineering Research and Development, vol. 2, no. 4, pp. 63-68, 2012.