جهت ارائه تکنيکهاي جديد نانو منيپوليشن، نياز مبرمي به دانش مکانيک در مقياس نانو و به کارگيري آن در مدلسازي سيستم‌هاي نانويي وجود دارد که نسبت به حالت ماکرو متفاوت است. در تحقيقات قبلي، مدلسازي اوليه جابجايي نانوذره به شکل راندن توسط پروب AFM با کانتيلور مستطيلي ارائه شده که در آن براي مدلسازي تماس از مدل JKR استفاده شده است.

براي مدلسازي و شبيه‌سازي عکس‌العمل‌ها و ديناميک نانو منيپولاتور AFM، به مدلسازي دقيق تغيير شکل‌هاي کانتيلور و سطوح تماسي نياز است. در پژوهشي كه در قالب رساله دكتري مهندس منيژه ذاکري، دانشجوي دکتري دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه علم و صنعت ايران انجام شده، جهت توسعه مدل ديناميکي منيپوليشن و بالا بردن دقت مدلسازي، تاثير تغيير شکل‌هاي کانتيلور با تغيير هندسه کانتيلور و استفاده از کانتيلور V شکل و نيز استفاده از محيط مايع و همچنين تاثير مدلسازي دقيق تغيير شکل‌هاي سطوح تماسي با تعريف دقيق پروفيل واقعي سطوح زبر مطالعه شده است.

در اين تحقيق، بررسي تاثير تغيير هندسه از کانتيلور مستطيلي به V شکل نشان داد که استفاده از قضيه تيرهاي موازي در تحليل منيپوليشن خطاي قابل ملاحظه‌اي به وجود مي‌آورد. نيرو و زمان مورد نياز جهت جابجايي ذره در مقايسه با حالت استفاده از کانتيلور مستطيلي کاهش مي‌يابد. معادلات Hazel براي محاسبه سختي پيچشي در مقايسه با معادلات دقيق نتايج قابل قبولي ندارد. همچنين در اين تحقيق، تاثير فاصله سوزن پروب از انتهاي کانتيلور بر سختي کانتيلور و پروسه منيپوليشن، بررسي و معادله‌اي نيز جهت تصحيح سختي پيچشي کانتيلور V شکل ارائه شد.

با افزايش فاصله سوزن پروب از انتهاي کانتيلور، سختي پيچشي کانتيلور V شکل به طور غيرخطي افزايش مي‌يابد. افزايش فاصله موجب افزايش نيروي مورد نياز جهت جابجايي نانوذرات مي‌شود. همچنين افزايش فاصله موجب افزايش زمان مورد نياز توسط AFM با کانتيلور مستطيلي شده، ولي در AFM با کانتيلور V شکل، افزايش فاصله موجب رفتار غير خطي در زمان بحراني مي‌شود.

در ادامه، مدل منيپوليشن با استفاده از روش رياضي آناليز حساسيت ديفرانسيلي خودکار تحليل شده تا بتوان فرايند راندن ذرات را با تعيين پارامترهاي حساس و غير حساس، به صورت کاملا طراحي شده پيش بيني کرد.

نتايج به دست آمده از آناليز حساسيت نشان مي‌دهند که متغيرهاي خروجي منيپوليشن به ابعاد کانتيلور حساسيت بيشتري دارند که شامل پارامترهاي مستقل طول و ضخامت تير است. همچنين ميزان حساسيت به مقادير ظاهري پارامترهاي ورودي وابسته است. نتايج آناليز با دو کانتيلور نشان مي‌دهد با تغيير کانتيلور از مستطيلي به V شکل حساسيت به ابعاد هندسي کاهش مي‌يابد.

در بررسي تاثير مدلسازي دقيق تغيير شکل‌هاي سطوح تماسي، سطوح زبر طبق مدل Rabinovich با استفاده از دو پارامتر اصلي اندازه برجستگي و فاصله راس دو برجستگي يا ارتفاع برجستگي تعريف شده است. براي مدلسازي تغيير شکل تماسي در سطوح زبر از ترکيب مدل‌هاي چسبندگي Rumpf و Rabinovich با تئوري‌هاي مکانيک تماس JKR و Schwarz استفاده شده است.

طبق نتايج، در زبري با شعاع کم، نانوذره تمايل بيشتري به غلتش قبل از لغزش نشان مي‌دهد که با افزايش شعاع ذره، محدوده رفتار غلتشي افزايش مي‌يابد. نيروي بحراني حرکت ذره با افزايش شعاع زبري و در مقادير کوچک، سير نزولي داشته و با افزايش بيشتر زبري، شروع به افزايش مي‌کند که ناشي از کاهش شديد نيروهاي چسبندگي در شعاع‌هاي کوچک است. با افزايش شعاع نانوذرات، اختلاف نيرو و زمان بحراني حرکت در مقايسه با مقادير نيرو و زمان جابجايي در سطح صاف، به ميزان قابل توجهي افزايش مي‌يابد.

مقايسه نمودارهاي به دست آمده از دو مدل Rump و Rabinovich نشان مي‌دهد که مدل Rump نيروي بحراني حرکت را تا حدي کمتر از مقدار به دست آمده از مدل Rabinovich پيش‌بيني مي‌کند که قابل صرف نظر است، ولي احتمال تعريف حرکت لغزشي را در زبري‌هاي کمتر افزايش مي‌دهد که بايد در جابجايي ذرات با هدف مونتاژ و ساخت به آن توجه شود. در مجموع، نيرو و زمان بحراني حرکت نانوذرات به تغيير شعاع برجستگي حساستر است و تغييرات چنداني با تغيير ارتفاع برجستگي يا فاصله راس تا راس برجستگي‌ها مشاهده نمي‌شود. نهايتا، افزايش شعاع برجستگي‌ها، مقدار نيروي لازم براي حرکت را به سمت نيروي لازم در سطح صاف سوق مي‌دهد.

در بررسي تاثير محيط مايع بر منيپوليشن، مدلسازي رفتار ديناميکي ذره با افزودن نيروهاي درگ سيال و کشش سطحي وارد بر کانتيلور به مدل موجود در هوا و تغيير چسبندگي تماسي انجام شد. طبق نتايج، حرکت ذره با مقداري تاخير نسبت به محيط هوا آغاز مي‌شود. مقادير زمان و نيروي بحراني لغزشي و غلتشي در آب خالص به ميزان ناچيزي کاهش مي‌يابند. همچنين در سيالاتي با ويسکوزيته بيشتر، تغييرات مقادير زمان و نيروي بحراني قابل توجه است و در گليسيرين، مقدار زمان و نيروي بحراني نسبت به آب خالص به ترتيب 17درصد و 6 درصد افزايش مي‌يابند. در مجموع، کشش سطحي در مقايسه با نيروي درگ تاثير بيشتري بر منيپوليشن دارد.