New Trends in Nanotechnology and Fractional Calculus Applications

544 Pages·2010·9.83 MB·English

by  Krishna V. Singh, Miroslav Penchev, Xiaoye Jing, Alfredo A. Martinez–Morales (auth.), Dumitru Baleanu, Ziya B. Guvenc, J. A. Tenreiro Machado (eds.)

New Trends in Nanotechnology
and Fractional Calculus Applications
New Trends in
Nanotechnology and
Fractional Calculus
Applications
Edited by
D. BALEANU
Çankaya University,
Balgat-Ankara, Turkey
Z.B. GÜVENÇ
Çankaya University,
Balgat-Ankara, Turkey
and
J.A. TENREIRO MACHADO
Institute of Engineering of Porto,
Porto, Portugal
123
Editors
Dumitru Baleanu J.A. Tenreiro Machado
Çankaya University Institute of Engineering
Fac. Art and Sciences of the Polytechnic Institute of Porto
Ogretmenler Cad. 14 Dept. Electrotechnical Engineering
06530 Ankara Rua Dr. Antonio Bernardino de Almeida
Yüzüncü Yil, Balgat 4200-072 Postage
Turkey Portugal
Preface
By the beginning of November 2008, the International Workshops on New Trends
in Science and Technology (NTST 08) and Fractional Differentiation and its
Applications (FDA08) were held at C¸ ankaya University, Ankara, Turkey. These
events provided a place to exchange recent developments and progresses in several
emerging scientific areas, namely nanoscience, nonlinear science and complex-
ity, symmetries and integrability, and application of fractional calculus in science,
engineering, economics and finance.
The organizing committees have invited presentations from experts represent-
ing the international community of scholars and welcomed contributions from the
growing number of researchers who are applying these tools to solve complex tech-
nical problems. Unlike the more established techniques of physics and engineering,
the new methods are still under development and modern work is proceeding by
both expanding the capabilities of these approaches and by widening their range of
applications. Hence, the interested reader will find papers here that focus on the un-
derlying mathematics and physics that extend the ideas into new domains, and that
apply well established methods to experimental and to theoretical problems.
This book contains some of the contributions that were presented at NTST08
and FDA08 and, after being carefully selected and peer-reviewed, were expanded
and grouped into five main sections entitled “New Trends in Nanotechnology”,
“Techniques and Applications”, “Mathematical Tools”, “Fractional Modelling” and
“Fractional Control Systems”.
The selection of improved papers for publication in this book reflects the success
of the workshops, with the emergence of a variety of novel areas of applications.
Bearing these ideas in mind the guest editors would like to honor many distinguished
scientists that have promoted the development of nanoscience and fractional calcu-
lus and, in particular, Prof. George M. Zaslavsky that supported early this special
issue and passed away recently.
The organizing committees wish to express their thanks to Cem Ozdogan, Adnan
Bilgen, Ozlem Defterli, Burcin Tuna, Nazmi Battal as well as to our students for
their assistance.
The Editors would like to thank to Ozlem Defterli for helping in preparation of
this book.
v
vi Preface
The organizing committees wish to thank the sponsors and supporters of NTST08
and FDA08, namely C¸ ankaya University represented by the President of the Board
of Trustees Sıtkı Alp, the Rector Professor Ziya B. Gu¨venc¸, TUBITAK (The Scien-
tific and Technological Research Council of Turkey), and the IFAC, for providing
the resources needed to hold this conference, the invited speakers for sharing their
expertise and knowledge, and the participants for their enthusiastic contributions to
the discussions and debates.
Ankara Dumitru Baleanu
March 31, 2009 Ziya B. Gu¨venc¸
J.A. Tenreiro Machado
Contents
Part I New Trends in Nanotechnology
Novel Molecular Diodes Developed by Chemical Conjugation
of Carbon Nanotubes with Peptide Nucleic Acid : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
Krishna V. Singh, Miroslav Penchev, Xiaoye Jing,
Alfredo A. Martinez–Morales, Cengiz S. Ozkan, and
Mihri Ozkan
Hybrid Single Walled Carbon Nanotube FETs for High
Fidelity DNA Detection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
Xu Wang, Mihri Ozkan, Gurer Budak, Ziya B. Gu¨venc¸,
and Cengiz S. Ozkan
Towards Integrated Nanoelectronic and Photonic Devices: : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25
Alexander Quandt, Maurizio Ferrari, and Giancarlo C. Righini
New Noninvasive Methods for ‘Reading’ of Random Sequences
and Their Applications in Nanotechnology : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
Raoul R. Nigmatullin
Quantum Confinement in Nanometric Structures: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57
Magdalena L. Ciurea and Vladimir Iancu
Part II Techniques and Applications
Air-Fuel Ratio Control of an Internal Combustion Engine
Using CRONE Control Extended to LPV Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71
Mathieu Moze, Jocelyn Sabatier, and Alain Oustaloup
Non Integer Order Operators Implementation via Switched
Capacitors Technology : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 87
Riccardo Caponetto, Giovanni Dongola, Luigi Fortuna,
and Antonio Gallo
vii
viii Contents
Analysis of the Fractional Dynamics of an Ultracapacitor
and Its Application to a Buck-Boost Converter :: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97
A. Parren˜o, P. Roncero-Sa´nchez, X. del Toro Garc´ıa, V. Feliu,
and F. Castillo
Approximation of a Fractance by a Network of Four Identical
RC Cells Arranged in Gamma and a Purely Capacitive Cell : : : : : : : : : : : : : : : : 107
Xavier Moreau, Firas Khemane, Rachid Malti, and Pascal Serrier
Part III Mathematical Tools
On Deterministic Fractional Models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 123
Margarita Rivero, Juan J. Trujillo, and M. Pilar Velasco
A New Approach for Stability Analysis of Linear Discrete-Time
Fractional-Order Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 151
Said Guermah, Said Djennoune, and Maamar Bettayeb
Stability of Fractional-Delay Systems: A Practical Approach : : : : : : : : : : : : : : : 163
Farshad Merrikh-Bayat
Comparing Numerical Methods for Solving Nonlinear
Fractional Order Differential Equations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 171
Farhad Farokhi, Mohammad Haeri, and Mohammad Saleh
Tavazoei
Fractional-Order Backward-Difference Definition Formula
Analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 181
Piotr Ostalczyk
Fractional Differential Equations on Algebroids and Fractional
Algebroids : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 193
Oana Chis¸, Ioan Despi, and Dumitru Opris¸
Generalized Hankel Transform and Fractional Integrals
on the Spaces of Generalized Functions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 203
Kuldeep Singh Gehlot and Dinesh N. Vyas
Some Bounds on Maximum Number of Frequencies Existing
in Oscillations Produced by Linear Fractional Order Systems : : : : : : : : : : : : : : 213
Sadegh Bolouki, Mohammad Haeri, Mohammad Saleh Tavazoei,
and Milad Siami
Fractional Derivatives with Fuzzy Exponent : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 221
Witold Kosin´ski
Game Problems for Fractional-Order Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 233
Arkadii Chikrii and Ivan Matychyn
Contents ix
Synchronization Analysis of Two Networks:: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 243
Changpin Li and Weigang Sun
Part IV Fractional Modelling
Modeling Ultracapacitors as Fractional-Order Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 257
Yang Wang, Tom T. Hartley, Carl F. Lorenzo, Jay L. Adams,
Joan E. Carletta, and Robert J. Veillette
IPMC Actuators Non Integer Order Models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 263
Riccardo Caponetto, Giovanni Dongola, Luigi Fortuna,
Antonio Gallo, and Salvatore Graziani
On the Implementation of a Limited Frequency Band
Integrator and Application to Energetic Material Ignition
Prediction :: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 273
Jocelyn Sabatier, Mathieu Merveillaut, Alain Oustaloup,
Cyril Gruau, and Herve´ Trumel
Fractional Order Model of Beam Heating Process
and Its Experimental Verification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 287
Andrzej Dzielin´ski and Dominik Sierociuk
Analytical Design Method for Fractional Order Controller
Using Fractional Reference Model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 295
Badreddine Boudjehem, Djalil Boudjehem, and Hicham Tebbikh
On Observability of Nonlinear Discrete-Time Fractional-Order
Control Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 305
Dorota Mozyrska and Zbigniew Bartosiewicz
Chaotic Fractional Order Delayed Cellular Neural Network :: : : : : : : : : : : : : : : 313
Vedat C¸ elik and Yakup Demir
Fractional Wavelet Transform for the Quantitative Spectral
Analysis of Two-Component System :: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 321
¨
Murat Kanbur, Ibrahim Narin, Esra Ozdemir, Erdal Dinc¸,
and Dumitru Baleanu
Fractional Wavelet Transform and Chemometric Calibrations
for the Simultaneous Determination of Amlodipine
and Valsartan in Their Complex Mixture: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 333
Mustafa C¸ elebier, Sacide Altıno¨z, and Erdal Dinc¸