مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
فصلنامه

مطالعه منیپولیشن نانوذره دی‌اِن‌اِی با بهره‌گیری از میکروسکوپ نیروی اتمی برپایه‌ی روش المان محدود با استفاده از تئوری‌های مکانیک تماس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمد خلیلی 1
معین طاهری 2
سید حسن بطحائی 3
فائزه شاکری 4

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

3 گروه مهندسی ساخت و تولید دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت مدرس تهران ایران

4 دانشجوی کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه اراک، اراک، ایران

https://doi.org/10.52547/masm.1.2.155
چکیده
منیپولیشن نانو ذرات فرایندی است که در طی آن با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی ذرات در مقیاس میکرو/نانو جابه‌جا می‌شوند و در گستره‌ی کاربردی بسیار زیادی از تولید قطعات تا دنیای پزشکی دارد. در این مطالعه با استفاده از تئوری‌های مکانیک تماس هرتز، جی‌کی‌آر، دی‌اِم‌تی و بی‌سی‌پی و همچنین استفاده از ساختار سلول زیستی دی‌اِن‌اِی با بهره‌گیری از روش اِلمان محدود به کمک نرم‌افزار آباکوس به مطالعه میزان جابه‌جایی، شتاب، نیرو، تنش و سرعت برحسب زمان و جابه‌جایی مولکول دی‌اِن‌اِی بر روی یک صفحه‌ی مبنا و عوامل مؤثر بر آن‌ها پرداخته شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که در تغییر شکل صورت گرفته بین ذرات هدف و نوک کروی سوزن، مدل هرتز کمترین و مدل جی‌کاآر بیشترین تغییر شکل و عمق نفوذ را نشان داده‌اند. با افزایش زاویه‌ی نوک سوزن با محور z، میزان عمق نفوذ و تغییر شکل ایجاد شده بین ذره و صفحه‌ی مبنا کاهش یافته است. همچنین نمودار تغییرات هر یک از پارامترهای مورد مطالعه عوامل مؤثر به ازای 20 میکرومتر جابه‌جایی و20 میلی‌ثانیه زمان برای فرآیند منیپولیشن دی‌اِن‌اِی محاسبه شده است.

کلیدواژه‌ها

فرآیندمنیپولیشن
میکروسکوپ‌نیروی اتمی
دی‌اِن‌اِی
روش المان محدود
تئوری‌های مکانیک تماس
نرم‌افزار‌ آباکوس

عنوان مقاله English

Study of DNA nanoparticle manipulation using atomic force microscopy based on finite element method using theories of contact mechanics

نویسندگان English

Mohammad Khalili 1
Moein Taheri 2
Seyed Hasan Bathaee 3
Faeze Shakeri 4
1 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
3 Department of Manufacturing Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
4 Bachelor. Student, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده English

Nanoparticle manipulation is a process in which particles are moved on a micro/ nanoscale scale using an atomic force microscope and has a wide range of applications from component production to the medical world. In this study, using the theories of contact mechanics of Hertz, JKR, DMT and BSP, as well as using the structure of the DNA biological cell using the Elman method using ABAQUS software to study the amount of displacement, acceleration, force, stress and velocity in time The DNA molecule is discussed on a base sheet and the factors that affect them. The results show that in the deformation between the target particles and the spherical tip of the needle, the Hertz model showed the least and the JKR model showed the highest deformation and penetration depth. By increasing the angle of the needle tip with the z-axis, the amount of penetration depth and deformation created between the particle and the base plate is reduced. Also, the graph of changes in each of the studied parameters of the effective factors per 20 μm of displacement and 20 milliseconds of time for the DNA manipulation process has been calculated.

کلیدواژه‌ها English

Manipulation process
Atomic force microscope
DNA particle
Finite element method
Contact mechanics theories
Abaqus software
[1] Sitti M. Survey of Nanomanipulation Systems. Proceeding of the IEEE Nanotechnology Conference, 2001; 75-80.
[2] Moradi M. Fereidon A H. and Sadeghzadeh S. Dynamic Modeling for Nanomanipulation of Polystyrene Nanorod by Atomic Force Microscope. Scientia Iranica. 2011; 3: 808-815.
[3] Korayem M H. and Zakeri M. Sensitivity Analysis of Nanoparticles Pushing Critical Conditions in 2-D Controlled Nanomanipulation Based on AFM. Journal Advanced Manufacturing Technology. 2009; 41: 714–726.
[4] Binnig G. Quate C F. and Gerber C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 1986; 56: 930–933.
[5] Binnig G. Gerber C. Stoll E. Albrecht T R. and Quate C F. Atomic Resolution with Atomic Force Microscope. Europhysics Letters. 1987; 3: 1281–1286.
[6] Junno T. Deppert K. Montelius L. and Samuelson L. Controlled Manipulation of Nanoparticles with an Atomic Force Microscope. Applied Physics Letters, 1995; 66: 3627-3629.
[7] Falvo M R. and Superfine R. Mechanics and Friction at the Nanometer Scale. Journal of Nanoparticle Research.2000; 2: 237-248.
[8] Guduru P R. Biologically Inspired Nano-Contact Mechanics. Brown University Providence RI DIV of Engineering. 2009; 1-18.
[9] Kiselyova O I. Yaminsky I V. Karpova O V. Rodionova N P. Kozlovsky S V. Arkhipenko M V. and Atabekov J G. AFM Study of Potato Virus X Disassembly Induced by Movement Protein. Journal of Molecular Biology,2003; 332(2): 321-325.
[10] Kasas S. Longo G. and Dietler G. Mechanical Properties of Biological Specimens Explored by Atomic Force Microscopy, Journal of Physics D: Applied Physics, 2013; 1-12.
[11] Ferreira O D S. Gelinck E. de Graaf D. and Fischer H. Adhesion Experiments Using an AFM—Parameters of Influence. Applied Surface Science. 2010; 257(1): 48-55.
[12] Dimitriadis E K. Horkay F. Maresca J. Kachar B. and Chadwick R S. Determination of Elastic Moduli of Thin Layers of Soft Material Using the Atomic Force Microscope. Biophysical Journal. 2002; 82: 2798-2810.
[13] Van Vliet K J. Bao G. and Suresh S. The Biomechanics Toolbox: Experimental Approaches for Living Cells and Biomolecules. Acta Materialia. 2003; 51: 5881-5905.
[14] Arai F. Ando D. and Fukuda T. Micromanipulation based on Micro Physics, Strategy based on Attractive Force Reduction and Stress Measurement. in Proceeding IEEE/RSJ. 1995; 2: 236–241.
[15] Korayem M H. Taheri M. and Zakeri M. Simulation of Two-Dimensional Nanomanipulation of Particles by Atomic Force Microscope Based on Coulomb and HK Friction Models. Proceeding International Congress on Nanoscience and Nanotechnology. Shiraz-Iran. 2010.
[16] Korayem M H. Rastegar Z. and Taheri M. Application of Johnson–Kendall–Roberts Model in Nanomanipulation of Biological Cell: Air and Liquid Environment. Micro and Nano Letters 2012; 7(6): 576-580.
[17] Korayem M H. Khaksar H. and Taheri M. Modeling of Contact Theories for the Manipulation of Biological Micro/Nanoparticles in the Form of Circular Crowned Rollers based on the Atomic Force Microscope. Journal of Applied Physics. 2013; 114: 130- 143.
[18] Korayem M H. and Taheri M. Modeling of various contact theories for the manipulation of different biological micro/nanoparticles based on AFM. Journal of Nanoparticle Research. 2014; 16(1): 1-18.
[19] Korayem M H. Taheri M. Khaksar H. and Hefzabad R N. Modelling of Cylindrical Contact Theories of Hertz and JKR for the Manipulation of Biological Micro/Nanoparticles. International Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2019; 15(4): 229-237.
[20] Korayem M H. Hezaveh H B. and Taheri M. Dynamic Modeling and Simulation of Rough Cylindrical Micro/Nanoparticle Manipulation with Atomic Force Microscopy. Microscopy and Microanalysis. 2014; 20(6): 1692-1707.
[21] Korayem M H. Sensitivity Analysis of the Critical Conditions of AFM-Based Biomanipulation of Cylindrical Biological Particles in Various Biological Mediums by Means of the Sobol Method. International Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2016; 12(3): 149-166.
[22] Korayem M H. and Taheri. M. Simulating the Manipulation of Various Biological Micro/Nanoparticles by Considering a Crowned Roller Geometry. Arabian Journal for Science and Engineering. 2016; 41(11): 4449-4462.
[23] Desai J. Pillarisetti A. and Brooks A D. Engineering approaches to Biomanipulation. Annual Review of Biomedical Engineering. 2007; 9: 35–53.
[24] Alonso J L. Goldman W H. Feeling the Forces: Atomic Force Microscopy in Cell Biology. Life Science.2003; 72: 2553–2560.
[25] Taheri M. and Mirzaluo M. Experimental Extraction of Young's Modulus of MCF-7 Breast Cancer Cell Using Spherical Contact Models. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering. 2022; 53(12): 10-10.  Nanomanipulation Force and Critical Time of Colon Cancer Tissue. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering.2022; 54(4): 3-3.
[27] Fereiduni F. Taheri M. and Modabberifar M. Investigation of the Effect of Different Parameters on Force in the Second Phase of Two-Dimensional Nanomanipulation. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2021;8(2): 23-31.
[28] Chaudhury MK. Weaver T. Hui C Y. and Kramer E J. Adhesive Contact of Cylindrical Lens and a Flat Sheet, Journal of Applied Physics. 1996; 8(1): 30-37.
[29] Korayem M H. Taheri M. Khaksar H. Bathaee S H. Using Micro/Nano Scale Contact Models in 3D Manipulation of Deformation of Au Particles Under Angular Effect. Iranian Journal of Manufacturing Engineering.2020; 7(5): 33- 43.
[30] Hertz H. Über die Berührung Fester Elastischer Körper. Journal für die reine und angewandte Mathematik,1881; 92:156-171.
[31] Johnson K L. Kendall K. and Roberts A K. Surface Energy and the Contact of Elastic Solid. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical. 1971; 324: 301–313.
[32] Derjaguin B V. Muller V M. and Toporov Y P. Effect of Contact Deformations on the Adhesion of Particles. Journal of Colloid Interface Science. 1975; 53: 314–326.
[33] Zarei B. Bathaee S H. Taheri M. and Momeni M. Second Phase of Nanomanipulation of Particles by Atomic Force Microscopy Using Coulomb, HK, and LuGre Friction Models. Modares Mechanical Engineering. 2019;19(1):181-190.
[34] Taheri M. Bathaee S H. Determination of the Young Modulus of Gastric Cancer Tissue Experimentally Using Atomic Force Microscopy. Modares Mechanical Engineering. 2020; 20(12): 2709-2720.
مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
دوره 1، شماره 2
زمستان 1400
صفحه 155-174

  • تاریخ دریافت 05 شهریور 1400
  • تاریخ بازنگری 04 مهر 1400
  • تاریخ پذیرش 25 دی 1400

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

تماس با ما