Bifurcation-enhanced ultrahigh sensitivity of a buckled cantilever

서울대 물리천문학부의 제원호/안상민 교수 연구팀은 자체 개발한 수정진동자와 나노 탐침이 결합된 원자힘 현미경을 이용하여 탐침 끝이 표면에 고정 및 휘어진(buckled) 상태에서의 비선형 쌍갈림(bifurcation) 현상에 관한 연구 및 초감도 역학적 힘 및 미세진동 측정 센서로의 응용을 실증하였다. 팁을 표면에 접근/고정/버클링시킨 후 측면으로 움직일 경우, 버클링 팁이 반대 방향으로 뒤짚어지기 바로 직전에서의 잡음 증대 및 쌍갈림 현상과 그 상태에서 가해지는 외부 섭동에 대한 급격한 민감도 증폭 현상을 발견하였다. 보통의 선형 센서의 특성과는 달리 쌍갈림 점에 도달할 경우에만 민감도가 급격히 증가되었고, 진원지로부터 오는 수직이나 수평으로 흔들리는 극미량의 미세진동 파동을 고민감도, 재현성, 내구성을 유지한 채로 정확히 구별하여 측정하였다. 또한, 수정진동자와 탐침이 결합된 이론 모델을 제시하였고, 측면으로 움직이는 속도에 따른 비선형 현상을 분석하였다. 본 연구는 지진계 센서와 같은 실제적인 응용에의 기여 뿐아니라 쌍갈림 점에서의 비선형 현상의 새로운 연구 주제로의 의의가 있다.

공저자: 안상민, 김봉수, 권소영, 문걸, 이만희, 제원호 (서울대)

Buckling, first introduced by Euler in 1744 [Euler L (1744) Opera Omnia I 24:231], a sudden mechanical sideways deflection of a structural member under compressive stress, represents a bifurcation in the solution to the equations of static equilibrium. Although it has been investigated in diverse research areas, such a common nonlinear phenomenon may be useful to devise a unique mechanical sensor that addresses the still-challenging features, such as the enhanced sensitivity and polarization-dependent detection capability. We demonstrate the bifurcation-enhanced sensitive measurement of mechanical vibrations using the nonlinear buckled cantilever tip in ambient conditions. The cantilever, initially buckled with its tip pinned, flips its buckling near the bifurcation point (BP), where the buckled tip becomes softened. The enhanced mechanical sensitivity results from the increasing fluctuations, unlike the typical linear sensors, which facilitate the noise-induced buckling-to-flipping transition of the softened cantilever. This allows the in situ continuous or repeated single-shot detection of the surface acoustic waves of different polarizations without any noticeable wear of the tip. We obtained the sensitivity above 106 V(m/s)−1, a 1,000-fold enhancement over the conventional seismometers. Our results lead to development of mechanical sensors of high sensitivity, reproducibility, and durability, which may be applied to detect, e.g., the directional surface waves on the laboratory as well as the geological scale.

Authors: Sangmin An, Bongsu Kim, Soyoung Kwon, Geol Moon, Manhee Lee &
Wonho Jhe (Seoul National University)
(PNAS 논문: Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 03/05/2018)

https://www.pnas.org/content/115/12/2884