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

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. 

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

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.