شکل‏320: بار کمانش بحرانی نسبی بر حسب تغییرات طول تیر در مقادیر مختلف ضریب وینکلر (تئوری غیرمحلی ارینگن) 69
شکل‏321: بار کمانش بحرانی نسبی بر حسب تغییرات طول تیر در مقادیر مختلف ثابت برشی پاسترناک (تئوری غیرمحلی) 70
شکل‏322: تغییرات بار کمانش بحرانی تیر بر اثر تغییرات پارامتر طول در مقادیر مختلف ضریب مقیاس کوچک طول 71
شکل‏323: اثرات زاویه پیچش بر فرکانس طبیعی در ضخامتهای مختلف 72
شکل‏324: نمودار فرکانس طبیعی نانو تیر پیچیده شده بر حسب ضخامت به ازای ضرایب وینکلر مختلف 73
شکل 325: اثر پارامتر مقیاس کوچک طول بر فرکانس طبیعی در مقادیر مختلف ضخامت……….74
فصل اول
مباحث نظری
مقدمهای بر نانوفناوری
فناوری نانو واژهای است کلی که به تمام فناوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. نانو، کلمهای یونانی است و به معنی کوتوله که در ریاضیات معادل، یعنی یک میلیاردم است ودر فناوری نانو ابعادی در حدود 1 تا nm 100 را شامل میشود. علم و فناوری نانو، هنر وتوانایی به دست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانو و علم دستکاری و بازچینی اتمها برای ساخت مواد و ابزارها در مقیاس نانو متر است. در این فناوری ساخت ابزار و اشیا در اندازههای اتمی است و ملکول به ملکول توسط رباتهای برنامهریزی شده در مقیاس نانومتریک انجام میشود. در این فناوری خواص جدیدی از مواد متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک به کار برده میشود. نانو فناوری در واقع رویکرد جدیدی در تمام عرصههاست ویک علم فرا رشتهای است که تمام علوم را در بر میگیرد و میتوان گفت نقطه اتصال علوم در آینده میباشد. در بیان اهمیت این فناوری گفته میشود که بخشی از آینده نیست بلکه تمام آینده است.
استفاده از فناوری نانو ناخواسته به چند صد سال پیش بر میگردد. جام لیکورگوس که در موزه بریتانیا در لندن نگهداری میشود یک نمونه استفاده از این فناوری در گذشته است که به قرن چهارم بعد از میلاد برمیگردد. نکته جالب در این جام این است که تابش نور از بیرون به جام، آن را سبز رنگ کرده و با تابش نور از درون آن به رنگ قرمز در میآید. مطالعات میکروسکوپی پرده از راز این جام برداشته ومعلوم شده است که در درون شیشه این جام، ذرات نانو از جنس طلا و نقره قرار دارد و ذرات نانو، خواصی متفاوت از ذرات غیر نانو بروز دهند.
پیشرفت فناوری نانو با اختراع میکروسکوپهای الکترونی وارد فاز جدیدی شد. در سال 1931 دانشمند آلمانی ماکسنات و ارنست روسک اولین نوع از این میکروسکوپها را اختراع کردند. واروین مولر پروفسور فیزیک دانشگاه ایالت پن با اختراع میکروسکوپ الکترونی با زمینه یونی، اولین فرد در تاریخ بود که اتمها را به صورت منحصر به فرد و ترتیب آنها در یک سطح مشاهده نمود.
با وجود تلاشهای انجام شده، فاینمن فیزیکدان و دارنده جایزه نوبل فیزیک را به عنوان پایهگذار فناوری نانو میشناسند. وی در سال 1959 مقالهای درباره قابلیتهای این فناوری در آینده منتشر ساخت. وی در در مراسم میهمانی بعد از دریافت جایزه نوبل، در سخنرانی خود ایده فناوری نانو را برای عموم آشکار ساخت و معتقد بود که در اندازههای بسیار کوچک، فضایی بسیار بزرگ وجود دارد. وی معتقد بود که در آینده نزدیک موتورهایی به بزرگی سر سوزن ساخته خواهد شد.
بعد از این سال فعالیت در عرصه نانو رشد چشمگیری را شروع کرد. در سال 1980 در مرکز تحقیقاتی IBM در سوییس تکنیکی ابداع شد که تصویر اتم را بزرگ میکرد. در 1990 برای اولین بار دانشمندان اتمها را حرکت دادند و با اتمها اولین جمله را نوشتند. با فناوری نانو انسان اکنون میتواند جهان ماده را آنطور که خودش میخواهد بسازد. تنها کافی است مواد پایهای جهان ماده را یک بار دیگر اتم به اتم و ملکول به ملکول کنار هم بچیند.به قول هرست استومر برنده جایزه نوبل: “ظهور نانو تکنولوژی میتواند به بشر تسلط لازم برای کنترل بیسابقه و کمنظیر بر جهان ماده را بدهد.”
کاربرد فناوری نانو
برای فناوری نانو در بسیاری از زمینهها از جمله صنعت، پزشکی، کشاورزی، دوامپذیری منابع، هوافضا، امنیت ملی، صنعت الکترونیک و غیره، کاربرد دارد.
فناوری نانو با دارا بودن ویژگیهای منحصربهفرد خود، قابلیتهای فراوانی در عرصههای مختلف ایجاد کرده که نمونههایی در زیر ذکر میشود.
ترکیب سه حوزه فناوری اطلاعات، نانو و زیستشناسی ملکولی منجر به ایجاد رشته الکترونیک ملکولی شده که در آن با استفاده از ملکول DNA میتوان سیمهای پردازشگر بیولوژیکی تهیه کرد و از ژنهای مستقر بر DNA برای انتقال و ذخیره اطلاعات استفاده نمود.
در ساختارهای نانو، نظیر نانو ذرهها و نانو لایهها، نسبت سطح به حجم، بسیار بالا است. بنابراین اجزای ایدهآلی برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی، انتقال دارو و ذخیره به شمار میروند. کاتالیزورهای نانویی بازده واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش و از طرفی مواد زائد و آلودگی را کاهش میدهند. سرامیکهای نانو ساختاری از سرامیکهای ساختهشده در مقیاس میکرون، سختتر و محکمترند. با استفاده از این فناوری میتوان داروها را به همان نقطه هدف در بدن رساند، بدون آنکه دیگر اجزای بدن را درگیر کند. بنابراین اثر دارو بیشتر وعوارض ناشی از آن بسیار کاهش مییابد. همچنین بیش از نیمی از داروها در مقیاس میکرون در آب قابل حل نیستند، در حالیکه این امر در مقیاس نانو امکانپذیر بوده و شانس یافتن داروهای جدید با کارآیی بیشتر وجود خواهد داشت.
تئوریهای مختلف اثرات اندازه
یکی از مشکلات موجود در دنیای نانو، تغییر خواص ماده میباشد. در واقع رفتارهایی که در مقیاس نانو مشاهده میگردند، بر اساس رفتارهای مشاهده شده در ابعاد ماکرو قابل پیشبینی نیستند. تغییرات مهم رفتاری عمدتاَ ناشی از اثرات کوانتومی کاهش ابعاد (Quantnm Size Effect) و به علت نزدیکی اندازه ذرات به مقیاس طولی میانگین میباشد. به عبارت دیگر نقص تئوری شکلپذیری کلاسیک، عدم توانایی در تعیین اثر اندازه بر رفتار مکانیکی ساختارهابا مقیاس میکرون و زیر میکرون است. نقص size-free در تئوری الاستیسیته کلاسیک در درک پدیدههای زیر میکرون لزوم ارائه تئوریهای سازگار در این بعد از ماده را نمایان میسازد. نیاز به اعمال اثر اندازه در مدلهای ساختاری در مقیاس میکرو و نانو، موجب ظهور تعدادی از تئوریهای مختلف شده که عبارتند از:پیوستگی در ردههای بالاتر با در نظر گرفتن اثر اندازه شد .
تئوریهای غیر موضعی ارینگن، گرادیان کرنشی، تنش کوپل، تنش کوپل اصلاح شدهو تنش سطحی. در واقع اثر اندازه در این تئوریها به صورت ثوابت ظاهر میشوند. برای مثال تئوری غیر موضعی ارینگن دارای دو ثابت aومیباشد که به ترتیب طول اولیه پیوند و ثابت ماده هستند. این تئوری به طور گسترده برای بررسی اثر اندازه در ساختارهای نانولولهها استفاده میشود. تئوری گرادیان کرنشی دارای سه پارامتر مقیاس کوچک طول میباشد که در روابط با و و نشان میدهند، در حالیکهتنش کوپل اصلاح شده دارای یک پارامتر مقیاس کوچک طول میباشد و زیر مجموعه تئوری گرادیان کرنشی به حساب آورده میشود.بر اساس تئوری مذکور ذرات ماده بر اثر نیرو علاوه بر جابهجایی دارای چرخش حول خود نیز میشوند که این در مواد مقیاس ماکرو مشاهده نمیشود.
تیر پیچیدهشده
تیرهای پیچیده شده به دلیل اهمیت آنها در کاربردهای مهندسی، تحقیقات گستردهای را معطوف خود ساخته است. برخی از کاربردهای رایج آن در صنعت را میتوان به استفاده آنها در ملخهای بالگرد و هواپیما، توربینهای باد، دندانه چرخ دنده ودر بیو مکانیک میتوان به استخوان انسان به علت شباهت آن به این نوع تیرها اشاره نمود. تیغههای استفاده شده در کمپرسور، پمپ توربین و موتورهای جت شکل(1-1)، را میتوان نمونه بارز این نوع تیرها برشمرد. ابزارهای برشی شیاردار با زوایای مارپیچی، همچون متهها شکل(1-2)، انتهای فرزهای برشیشکل(1-3) و انواع قلاویزهای مارپیچی شکل (1-4)، از نمونههای دیگر پرکاربرد این نوع تیرها هستند.
شکل ‏11 الف: تیغه پیچیده شده استفاده شده در توربین
شکل 1-1ب: تیغه پیچیده شده، استفاده شده در یک توربین کمپرسور و موتورهای جت

                                                    .