| dbo:abstract
|
- ميكانيكا النانو أو بـ (بالإنجليزية: Nanomechanics) هي أحد فروع علم تقانة النانو والذي يهتم بدراسة الخصائص الميكانيكية (من مرونة وحرارة وحركة) للأنظمة الفيزيائية الطبيعية ذات مقاييس النانومتر. وكان علم ميكانيكا النانو قد ظهر عند نقطة اجتماع كلٍ من علوم الميكانيكا الكلاسيكية، فيزياء الجوامد، ميكانيكا إحصائية، المواد، والكيمياء الكمومية. وباعتبارها أحد فروع علم تقانة النانو، توفر ميكانيكا النانو أساساً علمياً لتقانة الصغائر. ومن ثم فإن علم ميكانيكا النانو يعد أحد فروع علوم النانو والذي يتعامل مع دراسة وتطبيق الخصائص الميكانيكية الأساسية (من مرونة وحرارة وحركة) للأنظمة الفيزيائية الطبيعية ذات الأبعاد النانومترية. وغالباً ما يتم استعراض علم ميكانيكا النانو على أنه فرعاً من علوم تقانة النانو، وعلى سبيل التوضيح كمساحةٍ تطبيقيةٍ ذات تركيز على الخصائص الميكانيكية (بالإنجليزية: nanostructures) المهندسة والأنظمة النانوية (هي تلك الأنظمة ذات مكونات نانوية القياس). ومن أمثلة الأخيرة الجسيمات النانوية، مساحيق النانو، الأسلاك النانوية، ، روبوتات النانو، الأنابيب النانوية والتي منها الأنابيب النانوية الكربونية، (بالإنجليزية: boron nitride nanotubes (BNNTs))؛ ومنها القشرة النانوية، الأغشية النانوية، طلاءات النانو/المواد نانوية التركيب، (السوائل أو الموائع المحتوية على جزيئات النانو المتفرقة)؛ محرك النانو...إلخ. و من أمثلة مجالات علم ميكانيكا النانو والتي تم تأسيسها جيداً كلٌ من: المواد النانوية، علم الاحتكاك الناوي (والذي يشمل كلاً من الاحتكاك، الاهتراء ذوي الأبعاد النانوية القياس)، بالإضافة إلى (بالإنجليزية: nanoelectromechanical systems)، وكذلك علم الموائع النانوي. و كأحد العلوم الأساسية، فقد قام علم ميكانيكا النانو على بعض المبادئ التجريبية (ملاحظاتٍ أساسيةٍ) ومنها: 1) مبادئ علم الميكانيكا العام؛ 2) المبادئ الخاصة النابعة من صغر الأحجام الفيزيائية الطبيعية للأغراض المخصصة للدراسة البحثية. و تتضمن مبادئ على الميكانيكا العامة كلاً من:
* مبادئ حفظ الطاقة وزخم الحركة.
* المتغاير.
* مبادئ التناظر. ونتيجةً لصغرحجم الجسم موضوع الدراسة، فإن علم ميكانيكا النانو يضع في الحسبان كذلك:
* تحوط الجسم موضوع الدراسة، والذي يتم مقارنة حجمه بالمسافات بين الذرات الداخلية به.
* التعددية، ولكن بمراعاة المحدودية، لدرجات حرية هذا الجسم.
* أهمية التقلبات الحرارية.
* أهمية آثار التدهور الحتمي (اطلع على: (بالإنجليزية: configuration entropy).
* أهمية الآثار الكمومية. و تتمثل فائدة هذه المبادئ في أنها توفر رؤية متبصرة رئيسية للخصائص الميكانيكية الجديدة للأجسام النانوية. ومبدأ الحداثة ذلك يُفهم من منظور أن هذه الخصائص ليست متوفرة في الأجسام الماكروية أو أنها مختلفة بصورةٍ كبيرةٍ عن خصائص هذه الأجسام (مثال ذلك؛ قضبان النانو ضد هياكل الأشعة الماكروية التقليدية). وبصورةٍ خاصةٍ، فإن صغر المادة نفسها يثير مجموعة من تأثريات السطح المتعددة والتي تُقرر بنسبة السطح الأعلى إلى الكمية والخاصة ، ومن ثم تؤثر على الخصائص الميكانيكية النشطة والحرارية (نقطة الزوبان، السعة الحرارية،....إلخ) والخاصة . في حين، يلعب التحوط دوره كسببٍ رئيسيٍ لتشتت وتبديد الموجات الميكانيكية للأجسام الصلبة، ولبعض صور اللسوك الخاصة بالمحاليل الرئيسية الميكانيكية المرنة (بالإنجليزية: elastomechanics solutions) في الأجسام صغيرة المقياس. في حين توفر تعددية درجة الحرية والتقلبات الحرارية الأسباب الرئيسية لنفق الجسيمات النانوية الحراري عبر الحواجز المحتملة، كما هو الحال في عملية الانتشار المتبادل للسوائل والأجسام الصلبة. هذا بالإضافة إلى أن الصغر وتقلبات الحرارية توفر الأسباب الرئيسية للحركة البراونية للجسيمات النانوية. هذا بالإضافة إلى أن الأهمية المتزايدة للتقلبات الحرارية على المقياس النانوي تزيد من (بالإنجليزية: superelasticity)، المرونة الإنتروبية ( أو (بالإنجليزية: entropic forces))، بالإضافة إلى الصور الأخرى الغريبة لمرونة . كما تمثل ملامح وسمات توزيع الإنتروبيا أهميةً كبيرةً في التنظيم الذاتي للسياق والسلوك التعاوني لأنظمة النانو المفتوحة. في حين تحدد الآثار الكمومية قوى التفاعل بين الذرات الفردة في الأجسام الفيزيائية، والتي يتم تقديمها في مجال علم ميكانيكا النانو باستخدام وسائل ذات نماذجاّ رياضيةً متوسطةً، يطلق عليها «إمكانات داخل الذرة». وتوفر الاستخدامات اللاحقة للإمكانات الداخلية بالذرة داخل ديناميكا المتعددة الهيئات نماذجاً ميكانيكةً حتميةً للهيئات والأنظمة النانوية على النطاق الذري. ويطلق على لمحلول هذه النماذج الديناميكا الجزيئية (بالإنجليزية: molecular dynamics)، أو في بعض الأحيان (بالإنجليزية: molecular mechanics ) (وبصورةٍ خاصةٍ، في علاقتها بالنماذج المتوازنة أو الثابتة إحصائياً). وتشتمل المداخل العددية الغير حتمية كلاً من مونتكارلو Monte-Carlo، كينتك مونتكارلو Kinetic More-Carlo، وطرقاً أخرى كذلك. في حين تشتمل الأدوات العددية المعاصرة على المداخل أو النهج الهجينة متعددة النطاقات والتي تسمح بالاستخدام المتوازي أو المتتالي للطرق الذرية مع استمرارية أو تواصل استخدام الطرق الماكروية (غالباً طريقة ) داخل نموذج رياضي فردي. كما تحدد الآثار الكمومية الخصائص الإلكترونية، البصرية، والكيميائية الجديدة ، ومن ثم فهي تلقى انتباهاً كبيراً في كل المناطق المجاورة لعلوم النانو وتقانتها كذلك، ومنها الإلكترونيات النانوية، أنظمة الطاقة المتقدمة، وتقانة النانو الحيوية. (ar)
- Nanomechanics is a branch of nanoscience studying fundamental mechanical (elastic, thermal and kinetic) properties of physical systems at the nanometer scale. Nanomechanics has emerged on the crossroads of biophysics, classical mechanics, solid-state physics, statistical mechanics, materials science, and quantum chemistry. As an area of nanoscience, nanomechanics provides a scientific foundation of nanotechnology. Nanomechanics is that branch of nanoscience which deals with the study and application of fundamental mechanical properties of physical systems at the nanoscale, such as elastic, thermal and kinetic material properties. Often, nanomechanics is viewed as a branch of nanotechnology, i.e., an applied area with a focus on the mechanical properties of engineered nanostructures and nanosystems (systems with nanoscale components of importance). Examples of the latter include nanomachines, nanoparticles, nanopowders, nanowires, nanorods, nanoribbons, nanotubes, including carbon nanotubes (CNT) and boron nitride nanotubes (BNNTs); nanoshells, nanomembranes, nanocoatings, nanocomposite/nanostructured materials, (fluids with dispersed nanoparticles); nanomotors, etc. Some of the well-established fields of nanomechanics are: nanomaterials, nanotribology (friction, wear and contact mechanics at the nanoscale), nanoelectromechanical systems (NEMS), and nanofluidics. As a fundamental science, nanomechanics is based on some empirical principles (basic observations), namely general mechanics principles and specific principles arising from the smallness of physical sizes of the object of study. General mechanics principles include:
* Energy and momentum conservation principles
* Variational Hamilton's principle
* Symmetry principles Due to smallness of the studied object, nanomechanics also accounts for:
* Discreteness of the object, whose size is comparable with the interatomic distances
* Plurality, but finiteness, of degrees of freedom in the object
* Importance of thermal fluctuations
* Importance of entropic effects (see configuration entropy)
* Importance of quantum effects (see quantum machine) These principles serve to provide a basic insight into novel mechanical properties of nanometer objects. Novelty is understood in the sense that these properties are not present in similar macroscale objects or much different from the properties of those (e.g., nanorods vs. usual macroscopic beam structures). In particular, smallness of the subject itself gives rise to various surface effects determined by higher surface-to-volume ratio of nanostructures, and thus affects mechanoenergetic and thermal properties (melting point, heat capacitance, etc.) of nanostructures. Discreteness serves a fundamental reason, for instance, for the dispersion of mechanical waves in solids, and some special behavior of basic elastomechanics solutions at small scales. Plurality of degrees of freedom and the rise of thermal fluctuations are the reasons for thermal tunneling of nanoparticles through potential barriers, as well as for the cross-diffusion of liquids and solids. Smallness and thermal fluctuations provide the basic reasons of the Brownian motion of nanoparticles. Increased importance of thermal fluctuations and configuration entropy at the nanoscale give rise to superelasticity, entropic elasticity (entropic forces), and other exotic types of elasticity of nanostructures. Aspects of configuration entropy are also of great interest in the context self-organization and cooperative behavior of open nanosystems. Quantum effects determine forces of interaction between individual atoms in physical objects, which are introduced in nanomechanics by means of some averaged mathematical models called interatomic potentials. Subsequent utilization of the interatomic potentials within the classical multibody dynamics provide deterministic mechanical models of nano structures and systems at the atomic scale/resolution. Numerical methods of solution of these models are called molecular dynamics (MD), and sometimes molecular mechanics (especially, in relation to statically equilibrated (still) models). Non-deterministic numerical approaches include Monte Carlo, Kinetic More-Carlo (KMC), and other methods. Contemporary numerical tools include also hybrid multiscale approaches allowing concurrent or sequential utilization of the atomistic scale methods (usually, MD) with the continuum (macro) scale methods (usually, field emission microscopy) within a single mathematical model. Development of these complex methods is a separate subject of applied mechanics research. Quantum effects also determine novel electrical, optical and chemical properties of nanostructures, and therefore they find even greater attention in adjacent areas of nanoscience and nanotechnology, such as nanoelectronics, advanced energy systems, and nanobiotechnology. (en)
- La nanomeccanica è un ramo della nanoscienza che si occupa dello studio e delle applicazioni delle proprietà meccaniche (elastiche, termiche e cinetiche) fondamentali dei sistemi fisici su scala nanometrica. La nanomeccanica è emersa all'incrocio di meccanica classica, fisica dello stato solido, meccanica statistica, scienza dei materiali e chimica quantistica. Come settore della nanoscienza, la nanomeccanica fornisce un fondamento scientifico della nanotecnologia. Spesso, la nanomeccanica viene vista come un ramo della nanotecnologia, vale a dire, un settore applicato che si focalizza sulle proprietà meccaniche delle nanostrutture progettate e i nanosistemi (sistemi con componenti rilevanti in scala nanometrica). Esempi riguardanti questi ultimi comprendono nanoparticelle, nanopolveri, nanofili, , nanonastri, nanotubi, compresi i nanotubi di carbonio (CNT, carbon nanotubes) e i nanotubi di nitruro di boro (BNNT, boron nitride nanotubes); , nanomebrane, nanorivestimenti, materiali nanocompositi/nanostrutturati] (fluidi con nanoparticelle disperse); , ecc. Alcuni dei consolidati campi della nanomeccanica sono: i nanomateriali, la nanotribologia (attrito, usura e su nanoscala), sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) e nanofluidica. Come scienza fondamentale, la nanomeccanica si basa su alcuni principi empirici (osservazioni di base): 1) principi meccanici generali; 2) principi specifici derivanti dalla piccolezza delle dimensioni fisiche dell'oggetto di studio o di ricerca. I principi generali di meccanica comprendono:
* Principi di conservazione di energia e del momento
* Principio di variazione di Hamilton
* Principi di Simmetria A causa della piccolezza dell'oggetto studiato, la nanomeccanica considera anche:
* Separazione (discreteness) dell'oggetto, la cui dimensione è comparabile alle distanze interatomiche
* Pluralità, ma in misura limitata, dei gradi di libertà dell'oggetto
* Importanza delle fluttuazioni termiche
* Importanza degli effetti entropici (vedi Entropia configurazionale)
* Importanza degli effetti quantici Questi principi servono a tracciare un quadro di base riguardo alle nuove proprietà meccaniche degli oggetti nanometrici. La novità è intesa nel senso che queste proprietà non sono presenti negli analoghi oggetti in macroscala o sono molto diverse dalle proprietà di questi (per es., i nanobastoni rispetto alle usuali strutture a fascio macroscopiche). In particolare, la piccolezza dell'oggetto dà luogo a vari effetti di superficie determinata dal più elevato rapporto superficie/volume delle nanostrutture e perciò colpisce le loro proprietà meccanico-energetiche e termiche (punto di fusione, capacità di calore, ecc.). La distinzione serve per una ragione fondamentale, ad esempio, nella dispersione di onde meccaniche nei solidi e in qualche comportamento speciale di soluzioni elastomeccaniche di base su scale di piccole dimensioni. La pluralità dei gradi di libertà e l'aumento delle fluttuazioni termiche sono la causa del tunneling termico delle nanoparticelle attraverso potenziali barriere, oltre che per diffusione trasversale di liquidi e solidi. La piccolezza e le fluttuazioni termiche forniscono le ragioni di base del moto browniano delle nanoparticelle. La maggiore importanza delle fluttuazioni termiche e l'entropia di configurazione nella nanoscala fa crescere la superelasticità, l'elasticità entropica e altri tipi esotici di elasticità delle nanostrutture. Gli Aspetti dell'entropia di configurazione sono anche di grande interesse nel contesto auto-organizzazione e comportamento cooperativo di nanosistemi aperti. Gli effetti quantici determinano le forze di interazione tra i singoli atomi negli oggetti fisici, che vengono introdotti in nanomeccanica per mezzo di alcuni modelli matematici comuni chiamati potenziali interatomici. L'ulteriore utilizzazione dei potenziali interatomici dentro la classica dinamica del fornisce i modelli meccanici deterministici delle strutture e i sistemi nano su scala/risoluzione atomica. I metodi numerici di soluzione di questi modelli sono chiamati dinamica molecolare (MD) e talvolta meccanica molecolare (specialmente, in relazione ai modelli (ancora) statisticamente equilibrati). Gli approcci numerici non-deterministici comprendono il metodo Monte-Carlo, la Cinetica (KMC) e altri. Gli attuali strumenti numerici includono anche approcci multiscala ibridi consentendo l'utilizzo concomitante o sequenziale dei metodi su scala atomica (di solito, MD) con i metodi di scala (macro) continua (di solito, FEM) dentro un singolo modello matematico. Lo sviluppo di questi metodi complessi è oggetto separato di ricerca della meccanica applicata. Gli effetti quantici determinano anche le nuove proprietà elettriche, ottiche e chimiche delle nanostrutture e pertanto essi trovano un'attenzione ancora maggiore nelle aree adiacenti della nanoscienza e della nanotecnologia, come la nanoelettronica, i sistemi di energia avanzata e la nanobiotecnologia. (it)
|
