Adhesion phenomenon is more significant for smaller objects, because adhesional force is proportional to size of the objects while gravitational force is proportional to the third power of it. For the purpose of microassembly, theoretical understanding is required for the Adhesion phenomenon. Authors have developed a force measurement system in an ultra-high vacuum chamber of Auger electron spectroscopy. The force between arbitrary combination of materials can be measured at a pressure less than 100 nPa after and before Ar ion sputtering and chemical analysis for several atomic layers of the surface. The results are successfully interpreted with a theory of contact mechanics. Since surface energy is quite important in the interpretation, electronic theory is used to evaluate the surface energy. In the manipulation of small objects, the adhesional force is always attractive. Repulsive force is essential for the manipulation. It can be generated by Coulomb interaction. The voltage required for detachment is theoretically analyzed and the effect of boundary conditions on the detachment is obtained. The possibility and limitations of micro-manipulation using both the adhesion phenomenon and Coulomb interaction are theoretically clarified. Its applicability to nano-technology is found to be expected.
A multiscale modeling scheme that addresses the influence of the nanoparticle size in nanocomposites consisting of nano-sized spherical particles embedded in a polymer matrix is presented. A micromechanics-based constitutive model for nanoparticle-reinforced polymer composites is derived by incorporating the Eshelby tensor considering the interface effects (Duan et al. 2005a) into the ensemble-volume average method (Ju and Chen 1994). A numerical investigation is carried out to validate the proposed micromechanics-based constitutive model, and a parametric study on the interface moduli is conducted to investigate the effect of interface moduli on the overall behavior of the composites. In addition, molecular dynamics (MD) simulations are performed to determine the mechanical properties of the nanoparticles and polymer. Finally, the overall elastic moduli of the nanoparticle-reinforced polymer composites are estimated using the proposed multiscale approach combining the ensemble-volume average method and the MD simulation. The predictive capability of the proposed multiscale approach has been demonstrated through the multiscale numerical simulations.
This paper is concerned with the wave propagation behavior of rotating functionally graded temperature-dependent nanoscale beams subjected to thermal loading based on nonlocal strain gradient stress field. Uniform, linear and nonlinear temperature distributions across the thickness are investigated. Thermo-elastic properties of FG beam change gradually according to the Mori-Tanaka distribution model in the spatial coordinate. The nanobeam is modeled via a higher-order shear deformable refined beam theory which has a trigonometric shear stress function. The governing equations are derived by Hamilton's principle as a function of axial force due to centrifugal stiffening and displacement. By applying an analytical solution and solving an eigenvalue problem, the dispersion relations of rotating FG nanobeam are obtained. Numerical results illustrate that various parameters including temperature change, angular velocity, nonlocality parameter, wave number and gradient index have significant effect on the wave dispersion characteristics of the understudy nanobeam. The outcome of this study can provide beneficial information for the next generation researches and exact design of nano-machines including nanoscale molecular bearings and nanogears, etc.
In this paper, a comprehensive review of nanostructures that exhibit piezoelectric behavior on all mechanical, buckling, vibrational, thermal and electrical properties is presented. It is firstly explained vast application of materials with their piezoelectric property and also introduction of other properties. Initially, more application of material which have piezoelectric property is introduced. Zinc oxide (ZnO), boron nitride (BN) and gallium nitride (GaN) respectively, are more application of piezoelectric materials. The nonlocal elasticity theory and piezoelectric constitutive relations are demonstrated to evaluate problems and analyses. Three different approaches consisting of atomistic modeling, continuum modeling and nano-scale continuum modeling in the investigation atomistic simulation of piezoelectric nanostructures are explained. Focusing on piezoelectric behavior, investigation of analyses is performed on fields of surface and small scale effects, buckling, vibration and wave propagation. Different investigations are available in literature focusing on the synthesis, applications and mechanical behaviors of piezoelectric nanostructures. In the study of vibration behavior, researches are studied on fields of linear and nonlinear, longitudinal and transverse, free and forced vibrations. This paper is intended to provide an introduction of the development of the piezoelectric nanostructures. The key issue is a very good understanding of mechanical and electrical behaviors and characteristics of piezoelectric structures to employ in electromechanical systems.
Dynamic response of functionally graded Carbon nanotubes (FG-CNT) reinforced pipes conveying viscous fluid under accelerated moving load is presented. The mixture rule is used for obtaining the material properties of nano-composite pipe. The radial force induced by viscous fluid is calculated by Navier-Stokes equation. The material properties of pipe are considered temperature-dependent. The structure is simulated by Reddy higher-order shear deformation shell theory and the corresponding motion equations are derived by Hamilton's principal. Differential quadrature (DQ) method and the Integral Quadrature (IQ) are applied for analogizing the motion equations and then the Newmark time integration scheme is used for obtaining the dynamic response of structure. The effects of different parameters such as boundary conditions, geometrical parameters, velocity and acceleration of moving load, CNT volume percent and distribution type are shown on the dynamic response of pipe. Results indicate that increasing CNTs leads to decrease in transient deflection of structure. In accelerated motion of the moving load, the maximum displacement is occurred later with respect to decelerated motion of moving load.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
This paper reports a chemomechanical explosive sensor based on a thin polymer membrane. The sensor consists of thin parylene membrane and electrodes. Parylene membrane is functionalized with 4-mercaptophenol which interacts strongly with nitrotoluene based explosives. The membrane deflection caused by molecular interaction between the surface and explosives is monitored by capacitance between the membrane and the substrate. To measure the capacitance, electrodes are formed on the membrane and the substrate. While the previous cantilever system requires a bulky optical measuring system, this purely electric monitoring method offers a compact and effective system. Thus, this explosive sensor can be readily miniaturized and used in the field. The developed sensor can reliably detect dinitrotoluene and its limit of detection is evaluated as approximately 110 ppb.
Kim, Chung-Seok;Park, Ik-Keun;Jhang, Kyoung-Young;Miyasaka, Chiaki
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.30
no.2
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pp.146-154
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2010
The effects of severe plastic deformation, equal channel angular pressing, and annealing of Al 5052 alloy on elastic modulus have been studied. The AI 5052 alloy was plastically deformed by ECAP method after solution treatment, and then finally annealing heat treated. Elastic modulus was measured by conventional tensile and nano-indentation test, and also measured on the surface of the specimen using acoustic material signature of the acoustic microscope. The variation in the elastic modulus influenced by plastic deformation and heat treatment, inaccessible by the conventional techniques, was successfully measured by acoustic material signature and obtained the elastic modulus depending on crystal orientation at each grain.
Park, Tae-Sung;Kwak, Dong-Ryul;Park, Ik-Keun;Kim, Chung-Seok
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.30
no.2
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pp.132-138
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2010
Vibro-contact of cantilever tip is studied with respect to contact mechanics and an elastic characteristic of nanoscale surface is imaged. The contact resonance frequency is calculated theoretically using the spring-mass and Herzian models, and the variation of resonance frequency of cantilever was analyzed when the cantilever was free and contact. The elasticity imaging was also achieved successfully using phase and amplitude signals obtained from the spheroidized steel specimens by prototype ultrasonic AFM.
In this work, quantum molecular dynamics simulations (QMD) are preformed to study the hydrogen molecules in three types of carbon nanostructures, $C_{60}$ fullerene, (5,5) and (9,0) carbon nanotubes and graphene layers. Interactions between hydrogen and the nanostructures is of importance to understand hydrogen storage for the development of hydrogen economy. The QMD method overcomes the difficulties with empirical interatomic potentials to model the interaction among hydrogen and carbon atoms in the confined geometry. In QMD, the interatomic forces are calculated by solving the Schrodinger's equation with the density functional theory (DFT) formulation, and the positions of the atomic nucleus are calculated with the Newton's second law in accordance with the Born-Oppenheimer approximation. It is found that the number of hydrogen atoms that is less than 58 can be stored in the $C_{60}$ fullerene. With larger carbon fullerenes, more hydrogen may be stored. For hydrogen molecules passing though the fullerene, a particular orientation is required to obtain least energy barrier. For carbon nanotubes and graphene, adsorption may adhere hydrogen atoms to carbon atoms. In addition, hydrogen molecules can also be stored inside the nanotubes or between the adjacent layers in graphite, multi-layer graphene.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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