مجله علمی صوت و ارتعاش

مجله علمی صوت و ارتعاش

طراحی و تحلیل دقیق نانو حسگرهای ارتعاشی بر پایه نانولوله‌های کربنی برای تشخیص گاز‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
رضا حسینی آراء 1
مرتضی رحمتی دهکردی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، صندوق پستی 3697-19395 تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی شهر، اصفهان، ایران
چکیده
هدف از این پژوهش، طراحی و تحلیل مکانیکی یک نانوحسگر ارتعاشی دقیق با استفاده از نانولوله‌های کربنی برای شناسایی گازهای اطراف آن می‌باشد. در بیشتر پژوهش‌های انجام شده برای سادگی از مدل‌های تیر در تحلیل نانولوله‌های کربنی استفاده شده است در حالی که چنین مدل‌هایی با توجه به هندسه پوسته‌ای و نازک نانولوله‌ها، نمی‌تواند دقت بالایی داشته باشند و اساس دقت حسگر زیر سوال می‌رود. در این پژوهش برای افزایش دقت نانوحسگر، از مدل پوسته‌ی استوانه‌ای ناموضعی دانل استفاده گردید که به صورت تو خالی و دو سرگیردار از جنس نانولوله‌کربنی می‌باشد. همچنین برای افزایش دقت محاسباتی، اثرهای ناموضعی، اینرسی دورانی و تنش‌های سطحی در مقیاس نانو نیز لحاظ شد در صورتی که در پژوهش‌های پیشین از آن‌ها چشم‌پوشی شده است. در ادامه با روش جداسازی متغیرها و به صورت کاملا تحلیلی، پاسخ بسته و دقیق معادلات حاکم بر ارتعاشات نانوحسگر بر اساس معادلات پوسته‌های استوانه‌ای دانل و شرایط مرزی دوسرگیردار، به دست آمد تا دقت و نوآوری بالاتری نسبت به کارهای گذشته که به صورت کاملا عددی بوده، داشته باشد. سپس با محاسبه تغییر فرکانس ارتعاشی نانوحسگر در تماس با گازهای اطراف آن و تعیین بازه‌ی فرکانس ارتعاشی نانوحسگر، تشخیص گازهای مجاور انجام گرفت. در پایان و برای راستی آزمایی پاسخ‌های به دست آمده، نتایج برای نمونه گاز کریپتون[i] در مقایسه با سایر مراجع، نشان از دقت بالای مدل ارائه شده دارد.
 
[i]Krypton gas


 


 

 
 
کلیدواژه‌ها
نانو حسگر ارتعاشی
شناسایی گازها
نانولوله‌های کربنی
اثر ناموضعی
تنش‌های سطحی
موضوعات

عنوان مقاله English

Design and exact analysis of resonant nanosensors based on carbon nanotubes for gas detection

نویسندگان English

Reza Hosseini-Ara 1
Morteza Rahmati Dehkordi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Payame Noor University, PO BOX 19395-3697 Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Khomeini-shahr Branch, Isfahan, Iran
چکیده English

The objective of this research is to design and mechanically analyze a precise resonant nanosensor using carbon nanotubes for the identification of surrounding gases. In most previous studies, for simplicity, beam models have been used in the analysis of carbon nanotubes. However, such models, considering the thin and shell-like geometry of nanotubes, cannot provide high accuracy, thereby questioning the precision of the sensor. In this research, to enhance the accuracy of the nanosensor, a nonlocal cylindrical Donnell shell model was employed, which is hollow and doubly clamped end condition, made of carbon nanotubes. Additionally, to improve computational accuracy, nonlocal effects, rotary inertia, and surface stresses at the nano-scale were considered, whereas they were ignored in previous studies. Furthermore, using the method of variable separation and in a purely analytical manner, the closed-form and precise solution of the governing equations for the vibrations of the nanosensor was obtained based on Donnell’s cylindrical shell equations. This approach aims to achieve higher accuracy and innovation compared to previous works, which were entirely numerical. Subsequently, by calculating the change in the resonant frequency of the nanosensor in contact with surrounding gases and determining the range of the resonant frequency of the nanosensor, the identification of adjacent gases was performed. Finally, to validate the obtained results, the findings for the sample gas Krypton were compared with other references, indicating the high accuracy of the proposed model.

کلیدواژه‌ها English

Resonant nanosensor
gas detection
carbon nanotubes
nonlocal effects
surface tensions
[1] Anzar, Nigar, Rahil Hasan, Manshi Tyagi, Neelam Yadav, and Jagriti Narang. "Carbon nanotube-A review on Synthesis, Properties and plethora of applications in the field of biomedical science." Sensors International 1 (2020): 100003.
[2] Chowdhury, Rajib, Sondipon Adhikari, and John Mitchell. "Vibrating carbon nanotube-based bio-sensors." Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 42, no. 2 (2009): 104-109.
]3 [مجید باقری، محمد ایمان پرست و مهدی راغبی، "معرفی و بررسی عملکرد تشدیدگرهای میکرومکانیکی." مجله علمی صوت و ارتعاش 9، 5 (1395): 85-100.
]4 [محسن مطهری نژاد و سید محمد جعفری، "بررسی کارایی حسگرهای نشر فرا آوایی در مطالعة تخریب طبیعی یاتاقان تماس زاویه‌ای." مجله علمی صوت و ارتعاش 24، 12(1403): 57-71.
[5] Chakraborty, Urmila, Ajeet Kaushik, Ganga Ram Chaudhary, and Yogendra Kumar Mishra. "Emerging nano-enabled gas sensor for environmental monitoring–Perspectives and open challenges." Current Opinion in Environmental Science & Health 37 (2024): 100532.
[6] Guo, Shu-Yu, Xian-Gang Hu, Peng-Xiang Hou, Zhu Liu, Yi-Ming Zhao, Ying-Gang Li, Feng Zhang, Chang Liu, and Hui-Ming Cheng. "A self-powered flexible gas-sensing system based on single-wall carbon nanotube films." Cell reports physical science 3, no. 12 (2022).
[7] Poncharal, Philippe, Wang Zhong Lin, Daniel Ugarte, and Walt De Heer. "Electrostatic deflections and electromechanical resonances of carbon nanotubes." science 283, no. 5407 (1999): 1513-1516.
[8] Mateiu, Ramona, Anders Kühle, Rodolphe Marie, and Anja Boisen. "Building a multi-walled carbon nanotube-based mass sensor with the atomic force microscope." Ultramicroscopy 105, no. 1-4 (2005): 233-237.
[9] Chien, Wen Tung, Cheng Sheng Chen, and Hsin Hua Chen. "Resonant frequency analysis of fixed-free single-walled carbon nanotube-based mass sensor." Sensors and Actuators A: Physical 126, no. 1 (2006): 117-121.
[10] Li, Chun-Yu, and Tsu-Wei Chou. "Strain and pressure sensing using single-walled carbon nanotubes." Nanotechnology 15, no. 11 (2004): 1493.
]11[ رضا حسینی آراء و محسن هادی،"طراحی و تحلیل یک نانوزیست حسگر ارتعاشی برپایه نانولوله کربنی برای تشخیص ویروسها." نشریه علمی صوت و ارتعاش 17، 9(1399): 69-80.
[12] Chiu, Hsin-Ying, Peter Hung, Henk W. Ch. Postma, and Marc Bockrath. "Atomic-scale mass sensing using carbon nanotube resonators." Nano letters 8, no. 12 (2008): 4342-4346.
[13] Wasik, Daniel, Ashok Mulchandani, and Marylynn V. Yates. "A heparin-functionalized carbon nanotube-based affinity biosensor for dengue virus." Biosensors and Bioelectronics 91 (2017): 811-816.
[14] Georgantzinos, Stelios K., and Nick Anifantis. "Carbon nanotube-based resonant nanomechanical sensors: a computational investigation of their behavior." Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 42, no. 5 (2010): 1795-1801.
[15] Lee, Haw-Long, Jung-Chang Hsu, and Win-Jin Chang. "Frequency shift of carbon-nanotube-based mass sensor using nonlocal elasticity theory." Nanoscale research letters 5 (2010): 1774-1778.
[16] Chaste, Julien, Alexander Eichler, Joel Moser, Gustavo Ceballos, Riccardo Rurali, and Adrian Bachtold. "A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution." Nature nanotechnology 7, no. 5 (2012): 301-304.
[17] Zhang, Yin, Lijiang Zhou, and Hengshuang Zhao. "Determining the effects of surface elasticity and surface stress by measuring the shifts of resonant frequencies." Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 469, no. 2159 (2013): 20130449.
[18] Zhang, Yin. "Detecting the stiffness and mass of biochemical adsorbates by a resonator sensor." Sensors and Actuators B: Chemical 202 (2014): 286-293.
[19] Hosseini-Ara, Reza, Ali Mokhtarian, Amir Hossein Karamrezaei, and Davood Toghraie. "Computational analysis of high precision nano-sensors for diagnosis of viruses: Effects of partial antibody layer." Mathematics and Computers in Simulation 192 (2022): 384-398.
[20] Hosseini-Ara, Reza, Amir Hossein Karamrezaei, and Ali Mokhtarian. "Exact analysis of antibody-coated silicon biological nano-sensors (SBNSs) to identify viruses and bacteria." Microsystem Technologies 26, no. 2 (2020): 509-516.
]21[ رضا حسینی آراء، امیرحسین کرم‌رضایی و علی مختاریان، "تحلیل و بررسی اثر پوشش کامل لایه جاذب میوسین بر ارتعاشات نانو زیست‌حسگرهای سیلیکونی به منظور شناسایی عوامل بیماری‌زا." مجله مهندسی پزشکی زیستی 1، 12(1397)، 41-49.
[22] Arefi, Mohammad, Sina Kiani Moghaddam, Elias Mohammad-Rezaei Bidgoli, Masoud Kiani, and Omer Civalek. "Analysis of graphene nanoplatelet reinforced cylindrical shell subjected to thermo-mechanical loads." Composite Structures 255 (2021): 112924.
[23] Arefi, Mohammad, Reza Koohi Faegh, and Abbas Loghman. "The effect of axially variable thermal and mechanical loads on the 2D thermoelastic response of FG cylindrical shell." Journal of Thermal Stresses 39, no. 12 (2016): 1539-1559.
[24] Arefi, Mohammad, Reza Koohi Faegh, and Abbas Loghman. "The effect of axially variable thermal and mechanical loads on the 2D thermoelastic response of FG cylindrical shell." Journal of Thermal Stresses 39, no. 12 (2016): 1539-1559.
[25] Heidari, Yaser, Mohammad Arefi, and Mohsen Irani-Rahaghi. "Free vibration analysis of cylindrical micro/nano-shell reinforced with CNTRC patches." International Journal of Applied Mechanics 13, no. 04 (2021): 2150040.
[26] Dehsaraji, Maryam Lori, Mohammad Arefi, and Abbas Loghman. "Three-dimensional free vibration analysis of functionally graded nano cylindrical shell considering thickness stretching effect." Steel and Composite Structures, An International Journal 34, no. 5 (2020): 657-670.
[27] Arash, Behrouz, and Quan Wang. "Detection of gas atoms with carbon nanotubes." Scientific reports 3, no. 1 (2013): 1782.
[28] Meirovitch, Leonard. Fundamentals of vibrations. McGraw-Hill International Edition. Mechanical Engineering Series, 2001.
[29] Arash, Behrouz, Quan Wang, and Vijay K. Varadan. "Carbon Nanotube-Based Sensors for Detection of Gas Atoms." Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine 2, no. 2 (2011): 021010.
[30] Zhang, Yingyan, Chien Ming Wang, and Vincent B. C. Tan. "Assessment of Timoshenko beam models for vibrational behavior of single-walled carbon nanotubes using molecular dynamics." Advances in Applied Mathematics and Mechanics 1, no. 1 (2009): 89-106.