مدل‌سازی اثر باشینگر در نانوسیم‌ها با استفاده از روش دینامیک مولکولی

دکتر علیرضا ستوده، استادیار گروه مهندسی مکانیک دانشگاه فردوسی مشهد، در این‌باره
گفت: «در یک پیش‌کرنش پلاستیک کششی یا فشاری، مقدار تنش در جهت معکوس، کمتر از
مقدار تنش در کرنش اولیه است. این کاهش تنش در جهت معکوس نسبت به جهت اولیه،
اثر باشینگر نام دارد. این اثر، یکی از عوامل تأثیرگذار در شکل‌دهی فلزات است.
در این پژوهش، برای بررسی این اثر، متغیری به نام «متغیر باشینگر (BP)» معرفی
شده‌است. به ‌طوریکه، BP بزرگ‌تر، نشان‌دهنده اثر باشینگر قوی‌تر است».

دکتر ستوده افزود: «نانوسیم‌ها، نانوساختارهای یک‌بعدی هستند و عرض آنها،
درحدود ۱۰ نانومتر یا کمتر است و معمولاً از نظر طول، محدودیتی ندارند. نانوسیم‌ها
دارای ساختارهای فلزی (مانند نیکل، مس، نقره یا طلا) و یا نیمه‌هادی‌ها (مانند
سیلیسیم یا گالوانیم‌‌-‌‌نیکل) هستند. نانوسیم‌های نیمه‌هادی، اجزاء بسیار
مناسبی برای اتصال نانوسیستم‌های الکترونیکی و نوری هستند. اجزاء برخی از این
نانو دستگاه‌ها نظیر ترانستیورهای متأثر از میدان، ترانزیستورهای دوقطبی، معکوس
کننده‌ها، دیودهای ساطع‌کننده نور و حتی گیت‌های منطقی، به‌وسیله نانوسیم‌های
نیمه‌هادی مونتاژ می‌شوند».

وی با بیان این مطلب که «در این پژوهش، اثر باشینگر بر یک نانوسیم نیکلی، با
استفاده از روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است»، اظهار داشت: «یکی
از عوامل مهم در مدل‌سازی به روش دینامیک مولکولی، تعیین تابع پتانسیل مناسب
برای نیروهای بین اتمی است که هرکدام برای بیان خصوصیات رفتاری گروه خاصی از
مواد مناسب هستند. با انتخاب یک تابع پتانسیل مناسب می‌توان با حل عددی قانون
دوم نیوتن در هر زمان، سرعت و موقعیت مولکول‌ها را محاسبه کرد».

دکتر ستوده، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، مراحل
انجام این بررسی را بدین صورت شرح داد که «درهر گام زمانی، پس از ثابت شدن دمای
نمونه، نانوسیم اولیه با ابعاد ۵/۸×۵/۸×۴۰ سلول واحد ساخته می‌شود؛ در مرحله
بعدی، یک انتهای آن را ثابت نموده و انتهای دیگر آن را به اندازه ۳ × ۱۰^-۴ سلول
واحد، حرکت می‌دهیم. در انتها، به نانوسیم (تا مقادیر کرنش متفاوت) بار کششی
اعمال می‌شود و سپس زیر بار فشاری قرار می‌گیرد و تنش تسلیم فشاری آن، محاسبه
می‌گردد. نتایج نشان‌دهنده این واقعیت است که با افزایش پیش‌کرنش، کاهش شدیدتری
در تنش تسلیم فشاری معکوس، دیده می‌شود و مقدار BP، افزایش می‌یابد».

شایان ذکر است «اثر باشینگر در دو مقیاس ماکرو و نانو یک تفاوت بارز دارد. در
مقیاس ماکرو برای ناحیه پلاستیک مدل‌های سخت‌شوندگی متفاوتی ارایه می‌شود که
این مدل‌ها توانایی نشان دادن اثر باشینگر در تحلیل‌های عددی را دارند. اما
ناحیه پلاستیک منحنی تنش- کرنش در مقیاس نانو، دارای الگوی اره‌ای شکل است. از
این رو نمی‌توان مدل سخت‌شوندگی خاصی را برای ناحیه پلاستیک پیش‌بینی کرد.
بنابراین، روش‌های رایج عددی موجود در مقیاس ماکرو (مانند روش اجزای محدود)
جوابگو نبوده و روش‌هایی مانند روش دینامیک مولکولی در مقیاس نانو اهمیت می‌یابند.
روش دینامیک مولکولی، روشی عددی با حجم محاسباتی بالا است که برای مدل‌سازی یک
نانوسیم با ابعاد متوسط، تقریباً پنج روز زمان نیاز دارد.

این پژوهش، به همت آقای حامد عطاریانی (کارشناسی ارشد رشته مکانیک دانشگاه
فردوسی مشهد) و با راهنمایی آقای دکتر علیرضا ستوده، در دانشکده مکانیک دانشگاه
فردوسی مشهد انجام شده‌است و جزئیات آن
در مجلۀ Materials Letters (جلد ۶۲،
صفحات ۴۲۶۸-۴۲۶۶، سال ۲۰۰۸)، منتشر شده‌است.