Title Nanosenzor temeljen na grafenu za detekciju plinova : doktorska disertacija
Title (english) Nanosensor based on graphene sheet for detection of gas molecules : doctoral dissertation
Author Nikola Anđelić
Mentor Marko Čanađija (mentor)
Mentor Zlatan Car (komentor)
Committee member Marino Brčić (predsjednik povjerenstva)
Committee member Zdenko Tonković (član povjerenstva)
Committee member Dražan Kozak (član povjerenstva)
Granter University of Rijeka Faculty of Engineering Rijeka
Defense date and country 2021-12-04, Croatia
Scientific / art field, discipline and subdiscipline TECHNICAL SCIENCES Mechanical Engineering
Universal decimal classification (UDC ) 62 - Engineering. Technology in general
Abstract Nanosensor for mass detection is a mechanical sensor that from an experimental and theoretical point of view proved to be an excellent candidate in the detection of atoms and
molecules. The basic idea of these sensors is the frequency shift method. This method
is based on the dierence between the resonant frequency of graphene with and without
added mass in the form of atoms and molecules bonded with carbon atoms.
Natural frequencies, and the frequency shift method used in atom/molecule detection will
be analyzed using molecular dynamics (MD) simulation and non-local theory of plates.
Numerical results obtained using MD (natural frequencies) will be used to adjust the nonlocal parameter value in non-local thin plate theory in such a way that the frequency from
non-local thin plate theories will be equated with the natural frequencies from MD by
modifying the non-local parameter value. This will create a dataset for the implementation of the genetic programming algorithm in order to establish approximate correlations
between the input data (mechanical characteristics of graphene, graphene dimensions,
temperature and natural frequencies) with the output data (non-local parameter).
Since most sensors have a specied temperature range and pressure at which the sensor
can perform detection, it was initially assumed that graphene as a sensing element of
the nanosensor can detect gas molecules in the range from 233.15 to 313.15 K and at
a pressure in the range from 0 to 1 bar. Before investigating the natural frequencies of
one layer of graphene, the mechanical and thermodynamic characteristics of this material
were obtained using MD with REBO interatomic potential. The obtained mechanical
and thermodynamic parameters were used in non-local thin plate theory to determine the
natural frequencies of single-layer graphene as well as to examine the inuence of temperature, pressure, size of single-layer graphene, a variation of non-local graphene parameter
on natural frequencies caused by gas molecules attached to the surface of the single-layer
graphene.
MD was used to determine the natural frequencies of single-layer graphene, to examine
the inuence of single-layer graphene size on natural frequencies as well as the absolute
and relative frequency shift caused by attached gas molecules to the central single-layer
graphene atom using the displacement excitation method. The results of the above analyzes in MD and non-local thin plate theory showed that the size of single-layer graphene
has the greatest inuence on the natural frequencies of single-layer graphene while temperature has a very small inuence on the natural frequencies. MD simulations with NPT
ensemble showed that the pressure oscillates a lot during equilibration and vibration simulation and therefore the inuence of pressure was omitted from further analyzes. Analyzes
performed using non-local thin plate theory also showed that the value of the non-local
parameter has a large inuence on the natural frequencies of single-layer graphene. The
mechanical characteristics are temperature dependent and with increasing temperature,
the value of these parameters with small oscillations gradually decreases. Physical data
of 3 molecules of chemical weapons of mass destruction were used to investigate the possibility of detecting gas molecules using non-local theory and MD. Both theories have
shown that single-layer graphene can detect gas molecules using the absolute and relative
frequency shift method.
One of the main shortcomings of the non-local theory of elasticity is the unknown value
of the non-local parameter, and in many studies, its value is set in a certain range. Therefore, the goal is to apply a genetic programming algorithm to obtain a symbolic expression
by which its value could be determined. The genetic programming algorithm was used
to determine the symbolic expression that would connect the input values with mathematical functions, namely: mechanical parameters (modulus of elasticity, shear modulus,
Poisson's coecients and dimensions of graphene), operating conditions (temperature)
and natural frequencies obtained by MD with a non-local parameter that represents the
output value of this symbolic expression. For a genetic programming algorithm to be
able to generate a symbolic expression, it is necessary to develop a data set on which the
algorithm can be trained and tested. Three temperatures (233.15, 273.15, and 313.15 K)
were used to generate the data set in MD and non-local theory. Graphene models with dimensions ranging from 20× 10 to 40×20 nm were used for these simulations. The natural
frequencies obtained by MD were used as reference values for tuning the natural frequencies in non-local theory so that the value of the non-local parameter was adjusted so that
the natural frequency value was equivalent to those frequencies obtained in MD. Based on
the obtained parameters using MD and non-local theory, a set of data was created which
was used in the genetic programming algorithm to determine the equation by which the
value of the non-local parameter could be determined. The equation for determining the
value of a non-local parameter was chosen based on the highest achieved value of the R2
correlation coecient which is equal to 0.9688. The obtained equation for determining
the non-local parameter value was used to determine the absolute and relative frequency
shift caused by the mass attached in the center of the fully clamped graphene sheet. The
obtained results were compared with the averaged absolute and relative frequency shift values obtained using MD simulations. The results of the comparison showed that on
average the calculated values of absolute and relative frequency shift are 5 % lower than
those obtained using MD simulations.
Abstract (croatian) Nanosenzor za detekciju mase mehanički je senzor koji se s eksperimentalnog i teoretskog
stajališta pokazao kao odličan kandidat u detekciji atoma i molekula. Osnovna ideja ovih
senzora je metoda frekvencijskog pomaka. Ova metoda bazira se na razlici između vlastite
frekvencije grafena sa i bez dodane mase u obliku vezanih atoma/molekula s ugljikovim
atomima.
Vlastite frekvencije i metoda frekvencijskog pomaka koja se koristi u detekciji atoma/
molekula bit će analizirana primjenom molekularne dinamike (MD) i ne-lokalne teorije
elastičnosti. Numerički rezultati koji su dobiveni primjenom MD-a (vlastite frekvencije)
koristiti će se za podešavanje ne-lokalnog parametra u ne-lokalnoj teoriji tankih ploča
na način da će se frekvencija iz ne-lokalne teorije tankih ploča izjednačiti s vlastitim
frekvencijama iz MD-a podešavanjem ne-lokalnog parametra. Na taj način stvoriti će se
skup podataka za implementaciju algoritma genetskog programiranja u cilju uspostavljanja priblične korelacije između ulaznih podataka (mehaničke karakteristike grafena, dimenzija grafena, temperature i vlastitih frekvencija) s izlaznim podacima (ne-lokalnim
parametrom).
Budući da većina senzora ima specificiran temperaturni raspon i tlak na kojima senzor
može vršiti detekciju inicijalno je pretpostavljeno da grafen kao osjetni element nanosenzora može detektirati molekule plina u rasponu od 233.15 do 313.15 K te na tlaku
u rasponu od 0 do 1 bar. Prije istraživanja vlastitih frekvencija jednog sloja grafena
određene su mehaničke i termodinamičke karakteristike tog materijala primjenom MD-a
s REBO međuatomskim potencijalom. Dobiveni mehanički i termodinamički parametri
korišteni su u ne-lokalnoj teoriji tankih ploča u cilju određivanja vlastitih frekvencija
jednoslojnog grafena kao i ispitivanja utjecaja temperature, tlaka, veličine jednoslojnog
grafena, varijacije ne-lokalnog parametra na vlastite frekvencije kao i određivanje apsolutnog i relativnog frekvencijskog pomaka koje uzrokuju molekule plina pri£vr²¢ene za
povr²inu jednoslojnog grafena. MD-a se koristila za odreivanje vlastitih frekvencija jednoslojnog grafena, ispitivanje utjecaja veli£ine jednoslojnog grafena na vlastite frekvencije
kao i apsolutnog i relativnog frekvencijskog pomaka kojeg uzrokuju pričvršćene molekule
plina na centralni atom jednoslojnog grafena primjenom metode pobude brzine koristeći prethodno spomenuti međuatomski potencijal.
Rezultati prethodno navedenih analiza u MD-u i ne-lokalnoj teoriji tankih ploča pokazali
su da veličina jednoslojnog grafena ima najveći utjecaj na vlastite frekvencije jednoslojnog grafena dok temperatura ima jako mali utjecaj na vlastite frekvencije. MD simulacije s NPT ansamblom pokazale su da tlak dosta oscilira tijekom ekvilibracije i simulacije vibracija te je stoga utjecaj tlaka izostavljen iz daljnjih analiza. Analize provedene
primjenom ne-lokalne teorije tankih ploča također su pokazale da vrijednost ne-lokalnog
parametra ima veliki utjecaj na vlastite frekvencije jednoslojnog grafena. Mehaničke
karakteristike ovisne su o temperaturi i sa porastom temperature vrijednost tih parametara se uz male oscilacije, smanjuje. Za ispitivanje mogućnosti detekcije molekula plina
primjenom ne-lokalne teorije i MD-a korišteni su fizikalni podatci 3 molekule kemijskog
oružja za masovno uništenje. Obje teorije su pokazale da jednoslojni grafen može detektirati molekule plina primjenom metode apsolutnog i relativnog frekvencijskog pomaka.
Jedan od glavnih nedostataka ne-lokalne teorije elastičnosti je nepoznata vrijednost nelokalnog parametra te se u mnogim istraživanjima njegova vrijednost postavlja u određenom
rasponu. Stoga je cilj primijeniti algoritam genetskog programiranja u cilju dobivanja simboličkog izraza pomoću kojeg bi se mogla odrediti njegova vrijednost. Algoritam genetskog programiranja korišten je za određivanje simboličkog izraza koji bi matematičkim
funkcijama povezao ulazne vrijednosti i to: mehaničke parametre (module elastičnosti,
modul smicanja, Poissonove koecijente i dimenzije grafena), eksploatacijske uvjete (temperatura) te vlastite frekvencije dobivene pomoću MD-a s ne-lokalnim parametrom koji
predstavlja izlaznu vrijednost ovog simboličkog izraza. Da bi algoritam genetskog programiranja mogao generirati simbolički izraz potrebno je razviti skup podataka na kojem će se algoritam moći trenirati i testirati. Za generiranje skupa podataka u MD-u i
ne-lokalnoj teoriji korištene su tri temperature (233.15, 273.15 i 313.15 K). Za ove simulacije korišteni su modeli grafena čije su dimenzije u rasponu od 20 × 10 do 40 × 20
nm. Dobivene vlastite frekvencije pomoću MD-a korištene su kao referentne veličine za
podešavanje vlastitih frekvencija u ne-lokalnoj teoriji tako da se podešavala vrijednost
ne-lokalnog parametra s ciljem da vrijednost vlastitih frekvencija bude ekvivalentna onim
frekvencijama dobivenim u MD-u. Na temelju dobivenih parametara pomoću MD-a i nelokalne teorije stvoren je skup podataka koji je korišten u algoritmu genetskog programiranja za određivanje jednadžbe pomoću koje bi se mogla odrediti vrijednost ne-lokalnog
parametra. Jednadžba za određivanje vrijednosti ne-lokalnog parametra odabrana je na
temelju najveće postignute vrijednosti R2 korelacijskog koecijenta od 0.9688. Dobivena
jednadžba za određivanje ne-lokalnog parametra kori²štena je za određivanje apsolutnog
i relativnog frekvencijskog pomaka koje uzrokuje masa pričvršćena u centru kompletno
uklještenog grafena. Dobiveni rezultati uspoređeni su sa srednjim apsolutnim i relativnim frekvencijskim pomakom koji su određeni pomoću MD simulacija. Rezultati usporedbe
pokazali su da su u prosjeku izračunate vrijednosti apsolutnog i relativnog frekvencijskog
pomaka 5% manje od onih dobivenih pomoću MD simulacija.
Keywords
genetic programming algorithm
graphene
nanosensor
non-local thin plate theory
molecular dynamics
Keywords (croatian)
algoritam genetskog programiranja
grafen
nanosenzor
ne-lokalna teorija tankih ploča
molekularna dinamika
Language english
URN:NBN urn:nbn:hr:190:360264
Promotion 2021
Study programme Title: Postgraduate university (doctoral) study Study programme type: university Study level: postgraduate Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
Type of resource Text
Extent XI, 174 str. ; 30 cm
File origin Born digital
Access conditions Open access
Terms of use
Created on 2021-04-14 12:54:31