Nanoscale Fluid-Structure Interaction: Hydrodynamic Synchronization of High-Frequency Nanomechanical Oscillators

纳米级流固耦合:高频纳米机械振荡器的流体动力同步

基本信息

  • 批准号:
    1604075
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 29.69万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-07-01 至 2021-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PI: Ekinci, KamilProposal Number: 1604075The focus of the proposed research is to investigate the fundamentals of the interactions between two nanoscale structures that are placed close to each other while a fluid is flowing around them. When one of these structure oscillates, the other can be synchronized and also oscillate. Investigating this process can have applications for the design of nanoscale devices of diverse use. The objectives of this proposal are: i) to study the fundamentals of hydrodynamic coupling between high-frequency nanoscale oscillators; and ii) to determine whether or not such oscillators can be synchronized hydrodynamically. The underlying premise is straightforward: a solid body oscillating in a fluid generates an oscillatory velocity field, which subsequently exerts an oscillatory force on a nearby body; and vice versa. At the high-frequency limit, however, the fluid dynamics of this problem becomes complex because of phase lags, the interplay between potential and viscous components of the flow, and the hydrodynamic added masses. The proposed study is primarily experimental and will rely on nanomechanical cantilevers. The first part of the study aims to develop a physical understanding of coupled hydrodynamics of nanocantilevers oscillating in water. This will be accomplished by measuring the hydrodynamic forces between nanocantilevers using elaborate optical and electronic techniques. In the second part, the nanocantilevers will be turned into independent oscillators via feedback, and the experiments will elucidate the hydrodynamic conditions under which these two autonomous oscillators will synchronize. Simple physical models, guided by the experiments, will be developed. Synchronization is a complex phenomenon, which can enable nanodevice arrays, if properly implemented. By employing synchronized arrays of nanomechanical sensors, one can increase the sensitivity and efficiency of utilizing nanooscillators as sensors. These devices can find applications in biomedical sciences, healthcare, homeland security and environmental monitoring, providing unprecedented sensitivities at the level of single molecules. The education and outreach objectives can be summarized as follows: i) recruitment of minorities to participate in the exciting and rapidly expanding field of nanofluidics; ii) outreach to high school students to encourage future careers in science and engineering; iii) course development at the undergraduate level to encourage freshmen to pursue majors in science and engineering; iv) graduate student education through state-of-the-art research and courses
PI:Ekinci,Kamilproposal编号:1604075拟议研究的重点是研究两个纳米级结构之间相互作用的基础,这些纳米级结构彼此靠近,而流体在它们周围流动。当其中一个结构振荡时,另一个结构可以同步并振荡。调查此过程可以为设计多种用途的纳米级设备的设计提供应用。该提案的目标是:i)研究高频纳米级振荡器之间流体动力耦合的基础; ii)确定是否可以在流体动力学上同步此类振荡器。基本的前提是简单的:液体中振荡的固体产生振荡速度场,随后在附近的身体上施加振荡力。反之亦然。但是,在高频极限下,由于相位滞后,流量和粘性成分之间的相互作用以及流体力学添加的质量,该问题的流体动力学变得复杂。拟议的研究主要是实验性的,将依靠纳米力学悬臂。这项研究的第一部分旨在对水中振荡的纳米抗逆化速器的耦合流体力学有物理理解。这将通过使用精美的光学和电子技术来测量纳米中心之间的流体动力来实现。在第二部分中,纳米中心将通过反馈转化为独立的振荡器,实验将阐明这两个自主振荡器将同步的流体动力条件。在实验的指导下,简单的物理模型将开发。同步是一种复杂的现象,如果正确实现,它可以启用纳米式阵列。通过采用同步的纳米力学传感器阵列,人们可以提高利用纳米镜头作为传感器的灵敏度和效率。这些设备可以在生物医学科学,医疗保健,国土安全和环境监测中找到应用,从而在单分子的水平上提供前所未有的敏感性。教育和宣传目标可以总结如下:i)招募少数民族,以参与纳米流体的激动人心和快速扩大的领域; ii)向高中生推广,以鼓励科学和工程学的未来职业; iii)在本科生的课程发展,以鼓励新生从事科学和工程专业的专业; iv)通过最先进的研究和课程的研究生教育

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Nanomechanical Measurement of the Brownian Force Noise in a Viscous Liquid
  • DOI:
    10.1021/acs.nanolett.0c03766
  • 发表时间:
    2021-01-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Ari, Atakan B.;Hanay, M. Selim;Ekinci, Kamil L.
  • 通讯作者:
    Ekinci, Kamil L.
Optimization of Piezoresistive Motion Detection for Ambient NEMS Applications
环境 NEMS 应用的压阻式运动检测优化
  • DOI:
    10.1109/sensors47125.2020.9278593
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Ti, Chaoyang;Ari, Atakan;Orhan, Ezgi;Gonzalez, Miguel;Yanik, Cenk;Kaya, Ismet I.;Selim Hanay, M.;Ekinci, Kamil L.
  • 通讯作者:
    Ekinci, Kamil L.
An Inverse Method to Predict NEMS Beam Properties From Natural Frequencies
根据自然频率预测 NEMS 梁特性的逆方法
  • DOI:
    10.1115/1.4046445
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Liem, Alyssa T;Ari, Atakan B;McDaniel, J. Gregory;Ekinci, Kamil L.
  • 通讯作者:
    Ekinci, Kamil L.
Nanoflows induced by MEMS and NEMS: Limits of two-dimensional models
  • DOI:
    10.1103/physrevfluids.6.024201
  • 发表时间:
    2021-02-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Liem, Alyssa T.;Ari, Atakan B.;Ekinci, Kamil L.
  • 通讯作者:
    Ekinci, Kamil L.
Acoustic radiation of MEMS and NEMS resonators in fluids
流体中 MEMS 和 NEMS 谐振器的声辐射
  • DOI:
    10.1063/5.0037959
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Liem, Alyssa T.;Ti, Chaoyang;Kara, Vural;Ari, Atakan B.;McDaniel, J. Gregory;Ekinci, Kamil L.
  • 通讯作者:
    Ekinci, Kamil L.
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