آنالیز عددی و تجربی ارتعاشات میکروتیر وی شکل میکروسکوپ نیروی اتمی با در نظر گرفتن نانو الیاف پلی‌وینیل الکل به‌عنوان نمونه

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دماوند، دماوند، تهران، ایران

2 نویسنده مسئول: استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد دماوند، دماوند، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، رفتار ارتعاشی میکروتیر وی ­شکل میکروسکوپ نیروی اتمی با در نظر گرفتن نانوالیاف پلی‌وینیل الکل با داربست­ها و غلظت­های مختلف به­عنوان نمونه نرم بررسی شده است. با توجه به اهمیت نانوفیبرهای پلی‌وینیل الکل و کاربرد آن­ها در علوم پزشکی و صنعت، انجام تحقیقی مستقل در مورد رفتار مکانیکی و ارتعاشی نانوالیاف پلی‌وینیل الکل، لازم به نظر می­رسد. پس از ساخت نانوالیاف پلی‌وینیل الکل با ساختارها و غلظت­های مختلف، مدول کشسانی و نیروی چسبندگی آن­ها برای هر دو مد نفوذی و بازگشتی میکروسکوپ به دست آمده­ است. برای بررسی خواص مکانیکی نانوالیاف پلی‌وینیل الکل با ساختارهای متفاوت، از میکروسکوپ نیروی اتمی جی­پی­کی مدل نانوویزارد 2 به­همراه نرم­افزار تخصصی آن با ویرایش 96/0/5 استفاده شده است. طبق نتایج، با افزایش غلظت پلی‌وینیل الکل همانند مد نفوذی میکروسکوپ، مدول کشسانی افزایش یافته، اما چسبندگی کاهش می­یابد. برای بررسی رفتار-ارتعاشی میکروتیر از مدل تیر تیموشنکو استفاده شده است. در تحقیق حاضر برای نخستین بار با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی، مدول کشسانی نانوالیاف پلی‌وینیل الکل با داربست­ها و غلظت­های مختلف، تعیین شده و سپس رفتار ارتعاشی میکروتیر وی­شکل میکروسکوپ نیروی اتمی با توجه به پلی‌وینیل الکل به­عنوان نمونۀ نرم با روش اجزای محدود و با استفاده از تئوری برخورد دی ام تی و همچنین روش تجربی بررسی شده است. نتایج نشان می­دهند که با افزایش مدول کشسانی، نمونۀ فرکانس تشدید و اندازۀ پاسخ فرکانسی در جهت جابه­جایی عمودی افزایش می­یابند. در نهایت، نتایج مدل‌سازی عددی با نتایج عملی ناشی از آزمایش، مقایسه شده که همگرایی خوبی را بین آن­ها نشان می­دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Analysis of V-Shaped Atomic Force Microscope Cantilever Vibrations by Considering Polyvinyl Alcohol Nanofibers as the Sample

نویسندگان [English]

  • Iraj Rezaei 1
  • Ali Sadeghi 2
1 Ph.D. Student, Mechanical Engineering Department, Technical and Engineering Faculty, Islamic Azad University, Damavand Branch, Damavand, Tehran, Iran
2 Corresponding author: Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Technology and Engineering, Islamic Azad University, Damavand Branch, Damavand, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the vibrational behavior of V shaped AFM beam by supposing poly vinyl alcohol (PVA) nanofibers scaffolds with different formats and PVA concentrations as the soft samples has been investigated. Based on the importance of polyvinyl alcohol nanofibers and their application in medical sciences and industry, it seems necessary to consider an independent study on the vibrational behavior of atomic force microscope cantilevers considering polyvinyl alcohol nanofibers. After making of PVA nanofibers scaffolds with different formats and PVA concentrations by electrospinning system, the elasticity modules and adhesions of the samples have been earned in extend and retraction strokes as the most important step to study the vibrational behavior of the AFM beam. By increasing the PVA concentration, the elasticity modules increases, but adhesion decreases. Appling the extend strokes increases the elasticity modules, but decrease the adhesion. For theoretical dynamic behavior of V shaped AFM beam, Timoshenko bema theory has been applied. In the present study, the elastic modulus of poly vinyl alcohol (PVA) nanofibers scaffolds with different formats and PVA concentrations has been defined using AFM, then the vibrational behavior of V shaped AFM cantilever by supposing PVA nanofibers as the soft sample has been studied. The obtained results by FEM modeling show that increasing the elasticity modules of the samples increases the resonant frequency and amplitude of FRF of vertical movement of the beam. The results by theoretical modeling has been compared with experimental method. The results show excellent agreement.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Atomic force microscope
  • V-Shaped cantilever
  • Poly Vinyl Alcohol
  • Timoshenko beam theory
  • Elastic modulus

Smiley face

مراجع

[1] Binnig G, Quate CF, Gerber C. Atomic force microscope. Physical review letters. 1986;56(9):930.##
[2] Rabe U, Hirsekorn S, Reinstädtler M, Sulzbach T, Lehrer C, Arnold W. Influence of the cantilever holder on the vibrations of AFM cantilevers. Nanotechnology. 2006;18(4):044008.##
[3] Sahin O, Magonov S, Su C, Quate CF, Solgaard O. An atomic force microscope tip designed to measure time-varying nanomechanical forces. Nature nanotechnology. 2007;2(8):507-14.##
[4] Eslami S, Jalili N. A comprehensive modeling and vibration analysis of AFM microcantilevers subjected to nonlinear tip-sample interaction forces. Ultramicroscopy. 2012;117:31-45.##
[5] Payam AF. Sensitivity of flexural vibration mode of the rectangular atomic force microscope micro cantilevers in liquid to the surface stiffness variations. Ultramicroscopy. 2013;135:84-8.##
[6] Korayem MH, Sharahi HJ, Korayem AH. Comparison of frequency response of atomic force microscopy cantilevers under tip-sample interaction in air and liquids. Scientia Iranica. 2012;19(1):106-12.##
[7] Korayem M, Alipour A, Younesian D. Vibration suppression of atomic-force microscopy cantilevers covered by a piezoelectric layer with tensile force. Journal of Mechanical Science and Technology. 2018;32(9):4135-44.##
[8] Gholizadeh PashaA H, Sadeghi A. Modeling of Non-Linear Dynamic Behavior of Tapered Atomic Force Microscope Cantilevers Immersed in Different Liquids Based on Theoretical and Experimental Methods. Modares Mechanical Engineering. 2020;21(1):29-37.##
[9] Marin E, Rojas J. Evaluation of crosslinking on the water sorption properties of poly (vinyl) alcohol. Int J Pharm Sci Rev Res. 2015;35:189.##
[10] Cosgun A, Fu R, Jiang W, Li J, Song J, Song X, et al. Flexible quantum dot–PVA composites for white LEDs. Journal of Materials Chemistry C. 2015;3(2):257-64.##
[11] Kumar A, Han SS. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials. 2017;66(4):159-82.##
[12] Coelho D, Sampaio A, Silva CJ, Felgueiras HP, Amorim MTP, Zille A. Antibacterial electrospun poly (vinyl alcohol)/enzymatic synthesized poly (catechol) nanofibrous midlayer membrane for ultrafiltration. ACS applied materials & interfaces. 2017;9(38):33107-18.##
[13] Shim E, Su J, Noro J, Teixeira MA, Cavaco-Paulo A, Silva C, et al. Conductive bacterial cellulose by in situ laccase polymerization of aniline. PloS one. 2019;14(4):e0214546.##
[14] Silva IO, Ladchumananandasivam R, Nascimento JHO, Silva KKO, Oliveira FR, Souto AP, et al. Multifunctional chitosan/gold nanoparticles coatings for biomedical textiles. Nanomaterials. 2019;9(8):1064.##
[15] Jahanmard-Hosseinabadi F, Amani-Tehrani M. Comprehensive Comparison Between Mechanical Properties of Nanofiber Matrix and Single Nanofibers. Journal of Textiles and Polymers. 2019;7(2):37-46.##
[16] Korayem M, Heidary K, Rastegar Z. The head and neck cancer (HN-5) cell line properties extraction by AFM. Journal of Biological Engineering. 2020;14(1):1-15.##
[17] Timoshenko S, Goodier J. Theory of Elasticity, 3rd McGraw-Hill. New York. 1951:409.##
[18] Song Y, Bhushan B. Simulation of dynamic modes of atomic force microscopy using a 3D finite element model. Ultramicroscopy. 2006;106(8-9):847-73.##
[19] Turner J. Non-linear vibrations of a beam with cantilever-Hertzian contact boundary conditions. Journal of sound and Vibration. 2004;275(1-2):177-91.##
[20] Cheng FY. Matrix analysis of structural dynamics: applications and earthquake engineering: CRC Press; 2017.##
مکانیک هوافضا
دوره 18، شماره 1 - شماره پیاپی 67
شماره پیاپی 67، فصلنامه بهار
خرداد 1401
صفحه 105-122

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 21 تیر 1400
  • تاریخ بازنگری: 27 آبان 1400
  • تاریخ پذیرش: 15 آذر 1400
  • تاریخ انتشار: 01 اردیبهشت 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار