بررسی اثر اندازه و سیال بر دینامیک غیرخطی میکروسکوپ نیروی اتمی براساس تئوری تنش کوپل بهبودیافته

اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی، استفاده از تغییر شکل استاتیک یا پاسخ دینامیک تیر مرتعش برای تعیین توپوگرافی سطح در مقیاس نانو است. بنابراین پیش بینی صحیح رفتار دینامیک سیستم برای طراحی مناسب و عملکرد دقیق آن ضروری است. بنابر نتایج مطالعات تجربی با کاهش ابعاد یک سازه در مقیاس میکرو و نانو بر خلاف پیش بینی تئوری های کلاسیک، سختی بی بعد آن تغییر می کند. این تغییر که می تواند به صورت سخت شوندگی یا نرم شوندگی باشد، منجر به ارایه روش های مدل سازی غیر کلاسیک وابسته به اندازه شده است. در این مقاله با استفاده از تئوری تنش کوپل بهبودداده شده تاثیر اندازه بر رفتار دینامیک سیستم، بررسیشده و نتایج با پیش بینی های تئوری کلاسیک مقایسه شده است. به این منظور معادلات حاکم بر میکروتیر نیروی اتمی که در معرض نیروهای غیرخطی بین مولکولی و هیدرودینامیک ناشی از سیال قرار دارد، استخراج شده است. با به کارگیری روش گالرکین، معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم به معادلات معمولی تبدیل و مدل گسسته سیستم استخراج شده است. نشان داده شده است که با درنظرگرفتن اثر اندازه، سختی بی بعد و دامنه کاری پیش بینی شده میکروسکوپ در مود غیرتماسی افزایش می یابد. همچنین پارامترهای طراحی نظیر دامنه و فرکانس ارتعاشات به ترتیب کاهش و افزایش می یابد و در ابعاد کوچک تر، شروع ناحیه دوپایا برای فواصل کمتری از میکروتیر تا سطح اتفاق می افتد. در ادامه، روش حل مبتنی بر مود اول گالرکین در قیاس با دو مود اول و همچنین روش عددی معادلات آنالوگ صحت سنجی شده است. همچنین، تاثیر نیروهای هیدرودینامیک سیال بر رفتار دینامیک میکروسکوپ نیروی اتمی مطالعه شده است.

کلیدواژه ها:

Atomic Force Microscope ، Size Effect ، Modified Couple Stress Theory ، Stability Analyses ، Nonlinear Dynamic ، میکروسکوپ نیروی اتمی ، اثر اندازه ، تئوری تنش کوپل بهبودداده شده ، تحلیل پایداری ، دینامیک غیرخطی