Tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu biphenylence đơn lớp ứng dụng trong cơ bắp nhân tạo

Nghiên cứu "Tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu biphenylence đơn lớp ứng dụng trong cơ bắp nhân tạo", sử dụng tính toán nguyên lý đầu ab-initio, chúng tôi khám phá tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu biphenylence (BP) đơn lớp, một dạng cấu hình mới của nguyên tử các bon, có tiềm năng ứng dụng trong cơ bắp nhân tạo. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi thu được cho thấy vật liệu BP ổn định động học và cơ học ở điều kiện cân bằng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu biphenylence đơn lớp ứng dụng trong cơ bắp nhân tạo 537 Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ XI, Hà Nội, 02-03/12/2022 Tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu biphenylence đơn lớp ứng dụng trong cơ bắp nhân tạo Vương Văn Thanh1,*, Mai Văn Đức1, Nguyễn Tuấn Hưng2 và Đỗ Văn Trường1 1 Trường Cơ Khí- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2 Viện Nghiên cứu Liên Ngành- Đại học Tohoku-Nhật Bản *Email: thanh.vuongvan@hust.edu.vn Tóm tắt. Vật liệu cơ bắp nhân tạo có thể biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học. Trong nghiên cứu này, sử dụng tính toán nguyên lý đầu ab-initio, chúng tôi khám phá tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu biphenylence (BP) đơn lớp, một dạng cấu hình mới của nguyên tử các bon, có tiềm năng ứng dụng trong cơ bắp nhân tạo. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi thu được cho thấy vật liệu BP ổn định động học và cơ học ở điều kiện cân bằng. Biến dạng của vật liệu BP là một hàm của điện tử tác dụng ở cả hai trường hợp electron doping (thêm điện tử) và hole doping (giảm điện tử). Biến dạng theo phương x và phương y của vật liệu BP có giá trị lên tới 0.4% và 1.1% ở mức điện tử tác dụng q = 0.08 e/atom trong trường hợp hole doping. Độ bền và biến dạng lý tưởng của vật liệu BP theo phương x giảm trong trường hợp electron doping, trong khi đối với trường hợp hole doping độ bền lý tưởng theo phương y giảm. Với các kết quả của nghiên cứu không những góp phần hiểu rõ hơn tính chất cơ điện của BP mà còn giúp ích cho lĩnh vực thực nghiệm trong việc chế tạo cơ bắp nhân tạo dựa trên vật liệu BP. Từ khóa: Biphenylence, phiếm hàm mật độ, nguyên lý đầu, điện cơ, cơ bắp nhân tạo.1. Giới thiệu Vật liệu cơ bắp nhân tạo có thể biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học. Gầnđây, cơ bắp nhân tạo (các thiết bị truyền động) dựa trên vật liệu hai chiều (2D) đang được nhiều nghiêncứu quan tâm, bởi chúng có các tính chất nổi trội như tính ổn định nhiệt và hóa học, diện tích bề mặtlớn và tính chất cơ học linh hoạt [1, 2, 3]. Trong số các vật liệu 2D, vật liệu graphene có biến dạng lớnnhất lên tới 0.85%, giá trị biến dạng của tấm graphene cao hơn 4 lần so với biến dạng của các thiết bịtruyền động dựa trên ống nano các bon, cộng với khả năng chịu tải cao làm cho graphene trở thành vậtliệu tiềm năng cho các hệ thống truyền động tiên tiến [4]. Dựa trên vật liệu các bon, nhiều vật liệu khácđã được đề nghị cho cơ bắp nhân tạo, ví dụ như vật liệu graphene oxide (GO) có khả năng nâng gấp 8lần trọng lượng của chính nó [5]. Vật liệu 2D graphdiyne có mật độ công lên tới 11.5 kJ/m3 cao hơn sovới mật độ công của cơ bắp sinh học của con người (8 kJ/m3) [6]. Ở một dạng cấu trúc khác dựa trênvật liệu graphene, vật liệu graphane cấu trúc Table-like có biến dạng lên tới -1.43% và cũng có tiềmnăng ứng dụng cho cơ bắp nhân tạo [7]. Tuy nhiên, việc ứng dụng cho cơ bắp nhân tạo của các vật liệutrên ở quy mô công nghiệp vẫn còn những hạn chế như việc chế tạo và giá thành cao [7]. Gần đây, một dạng cấu hình mới của vật liệu các bon là biphenylene (BP) vừa được chế tạo thựcnghiệm thành công [8]. Trong một nghiên cứu lý thuyết trước đó, Luo và cộng sự [9] đã nghiên cứu tínhchất cơ học, điện tử và xúc tác của biphenylene bằng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT).Kết quả nghiên cứu của họ đã chỉ ra vật liệu BP ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao (4500 K) và có tính kimloại với nón Dirac kiểu n (n-type). Kết hợp phương pháp tính toán nguyên lý đầu ab-initio và lý thuyếttruyền nhiệt Boltzmann, tính chất truyền nhiệt của BP đã được nghiên cứu [10, 11], với tính chất truyềnnhiệt dị hướng và hệ số dẫn nhiệt thấp, vật liệu BP đơn lớp có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bịnhiệt điện. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khám phá tính chất truyền động điện-cơ của vật liệu BP đơn lớpsử dụng tính toán nguyên lý đầu ab-initio dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT). Chúng tôi thấyrằng trong trường hợp hole doping thì biến dạng của BP lớn hơn so với trường hợp electron doping. 538 Vương Văn Thanh, Mai Văn Đức, Nguyễn Tuấn Hưng và Đỗ Văn TrườngThêm vào đó, ảnh hưởng của mức điện tử trong cả hai trường hợp hole và electron doping đến độ bềnvà biến dạng lý tưởng của vật liệu BP đơn lớp cũng được khảo sát.2. Phương pháp tính toán Tính toán nguyên lý đầu ab-initio dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) được thực hiệnthông qua phần mềm Quantum ESPRESSO [12]. Hàm giả thế của nguyên tử các bon được lấy từ thưviện Standard Solid-State [13]. Năng lượng cut-off cho hàm sóng được chọn bằng 60 ...