Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong như chỉ ra trong hình 1. Tên gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại, chiều dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm. Graphene là một kiểu tấm cấu tạo từ các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo kiểu hình lục giác tuần hoàn. Về cơ bản, nó là chất liệu hai chiều đầu tiên từng được chế tạo [Wikipedia].
Graphene là vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt như dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, có độ cứng rất lớn (gấp hàng trăm lần so với thép). Bởi vậy, vật liệu này đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp… Graphene trên thực tế là trong suốt. Trong vùng quang học, nó hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng. Con số này thật ra được cho bởi pa, trong đó a là hằng số cấu trúc tinh tế xác lập cường độ của lực điện từ.
Trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn, graphene vẫn duy trì các tính chất 2D của nó ở nhiệt độ phòng. Graphene còn có một vài tính chất hấp dẫn khác nữa, những tính chất mà nó chia sẻ cùng với ống nano carbon. Về căn bản, nó cứng hơn thép, rất dễ kéo căng, và có thể dùng làm một chất dẫn dẻo. Độ dẫn nhiệt của nó cao hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của bạc.
Sự phát triển của chất liệu mới này đã mở ra những hướng đi mới. Nó là chất liệu 2D kết tinh đầu tiên và nó có các tính chất độc nhất vô nhị, khiến nó thật hấp dẫn cho cả nghiên cứu khoa học cơ bản lẫn cho các ứng dụng trong tương lai. Đột phá trên được thực hiện bởi Geim, Novoselov và các cộng sự của họ; bài báo hồi năm 2004 đã khơi ngòi cho sự phát triển trên. Với công trình này, họ được trao Giải Nobel Vật lí 2010.
1 Luan van Hình 1.2: Trích graphene từ graphite. 2 Luan van Graphite là một chất liệu cơ bản tìm thấy trong tự nhiên. Khi tách mỏng ra, các tấm graphite trở thành graphene. Một lớp graphene cuộn lại thì thành ống nano carbon, còn khi cuộn tròn thành hình quả bóng đá thì nó thành fullerene.
Tiềm ẩn bên trong graphite, graphene đang chờ đợi con người khám phá. Samsung, công ty sở hữu khoảng 1/4 số lương bằng sáng chế graphene tại Hàn Quốc, hiện chi hàng trăm triệu USD cho việc nghiên cứu vật liệu này. Thống kê chỉ ra Trung Quốc đang là quốc gia giữ nhiều bằng sáng chế nhất liên quan đến Graphene, theo sau là Mỹ và Hàn Quốc [Nguồn: Internet] Vào tháng 4, viện nghiên cứu công nghệ cao của Samsung (SAIT) cùng với các viện khoa học ứng dụng tại các trường đại học ở Hàn Quốc đã công bố một phương pháp mới để sản suất graphene với khối lượng lớn mà không bị mất bất kỳ thuộc tính điện hoặc cơ khí nào tạo nên sự độc nhất của nó. Họ mong đợi phương pháp này sẽ đẩy nhanh việc thương 3 Luan van mại hóa graphene, "vật liệu có thể mở ra kỉ nguyên tiếp theo của công nghệ điện tử tiêu dùng".
Với các lợi ích của graphene đã đề cập ở phần trên, thật dễ dàng thấy được lý do tại sao giới công nghệ đang rất mong chờ vào vật liệu tiềm năng này. Nhưng chưa chắc các công ty sẽ đại tu lại toàn bộ quy trình sản xuất hiện nay của họ chỉ bởi một nguyên liệu có thể làm mọi thứ tốt hơn silicon. Ứng dụng của graphene: + Dây dẫn và điện cực trong suốt: Graphene là vật liệu trong suốt và có tính dẫn điện tốt nên nó có tiềm năng dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. Các dây dẫn hoặc điện cực graphene này sẽ là vật liệu thay thế rẻ hơn và mềm dẻo hơn nhiều so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử dẻo khác.4: Sơ đồ và cơ chế dẫn điện của graphene trong pin mặt trời Nguồn: https://utt.vn/khcb/nghien-cuu-khoa-hoc/graphene-va-ong-nano-carbon- tinh-chat-va-ung-dung-a3594.html + Chip máy tính: Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới- có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene.
Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt độ trong phòng - giống như yêu cầu đối với các thiết bị điện tử hiện đại khác. Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt.
Bóng bán dẫn được chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ. Chiếc bóng bán dẫn đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim). 4 Luan van + Màn hình ti vi cảm ứng: Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng Graphene. Một ngày nào đó màn hình này có thể được ứng dụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi.
Để tạo ra các màn hình tinh thể lỏng bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy các mảnh graphite thành graphene, và phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặt thủy tinh. Khi bề mặt hòa tan được sấy khô, các nhà nghiên cứu đã lựa ra những mảnh nhỏ và sử dụng chúng như các cực điện cho màn hình tinh thể lỏng nhỏ. Màn hình tinh thể lỏng này rất nhỏ bé, chỉ bằng một độ phân giải pixel và kích cỡ khoảng bằng 1 micromet. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, nếu như con số này được nâng cấp thì độ phân giải sẽ gần giống như màn hình điện thoại di động.
Theo một tuyên bố của Samsung, hãng này cho biết đã tìm ra một biện pháp sản xuất mới có thể giúp đẩy mạnh quá trình thương mại hóa graphene, cho phép sử dụng loại vật liệu hoàn hảo này trên "màn hình dẻo, các thiết bị thời trang công nghệ và các sản phẩm điện tử tân tiến". Trong tương lai, có thể chúng ta sẽ được thấy những chiếc smartphone có màn hình uốn cong được, hay những thiết bị thông minh mới màn hình dẻo có thể đeo trên người như một chiếc vòng tay.5: Ứng dụng của graphene trong chế tạo màn hình dẻo của smartphone trong tương lai + Ứng dụng trong cảm biến: Một trong những ứng dụng hứa hẹn của graphene là trong các cảm biến khí, cảm biến sinh học. Nguyên lý hoạt động của các cảm biến dựa trên sự 5 Luan van thay đổi độ dẫn của graphene khi hấp thụ các nguyên tử, phân tử lên bề mặt của nó. Các cảm biến sử dụng graphene có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện nhỏ.6: Một số lĩnh vực ứng dụng của graphene Nguồn: https://utt.vn/khcb/nghien-cuu-khoa-hoc/graphene-va-ong-nano-carbon- tinh-chat-va-ung-dung-a3594.html + Vật liệu gia cường: graphene có độ cứng lớn, chống mài mòn tốt, nhẹ nên thường được sử dụng để gia cường trong các vật liệu composite như graphene với polymer, graphene với cao su, hoặc graphene với kim loại.
Các vật liệu composite thường có đặc tính cơ lý tốt, độ bền, dẻo cao và dẫn điện tốt. Trong quá trình chế tạo vật liệu không thể tránh khỏi những sai sót làm cho vật liệu không hoàn hảo được ví dụ như sự xuất hiện lỗ rỗng bên trong vật liệu. Thực tế những vật liệu trong tự nhiên luôn tồn tại lỗ rỗng như gỗ hay cấu trúc xương của động vật. Đối với những cấu trúc có tồn tại lỗ rỗng thì mang tính thực tế hơn so với cấu trúc đặc hoàn toàn.
Dĩ nhiên, ứng xử cơ học của chúng cũng khác so với cấu trúc hoàn hảo vì độ cứng sẽ giảm đi. Việc nghiên cứu ứng xử cơ học của chúng cũng là đề tài mà các nhà nghiên cứu rất quan tâm.7 cho thấy cấu trúc xương có tồn tại lỗ rỗng bên trong. 6 Luan van Hình 1.7: Minh hoạ về cấu trúc xương có tồn tại lỗ rỗng Trong những năm gần đây, vật liệu có có lỗ rỗng bên trong được gia cố bằng GPLs [12] đã được các nhà nghiên cứu quan tâm và sử dụng rộng rãi trong nhiều kết cấu công trình, cụ thể là công trình dân dụng, ô tô, hàng không, vũ trụ và đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh [13-15]. Các vật liệu xốp phi tự nhiên như bọt kim loại có đã được áp dụng phổ biến trong các vật liệu kết cấu nhẹ [16-17] và vật liệu sinh học [18-19].
Với các ưu điểm của cả GPL và độ rỗng, các đặc tính cơ học của vật liệu tốt hơn rõ rệt nhưng vẫn giữ được các lợi ích của chúng [20]. Dựa trên việc điều chỉnh kích thước, mật độ của các lỗ rỗng bên trong theo các hướng không giống nhau, cũng như các dạng gia cường GPL, FGP- GPL đã được trình bày để đạt được các đặc tính cơ học cần thiết [21-23]. Trong vài năm gần đây, đã có nhiều bài báo liên quan được chỉ ra để xem xét những ảnh hưởng của GPLs đến ứng xử của các bài toán dầm và tấm trong nhiều điều kiện khác nhau. Kitipornchai và cộng sự [24] và Chen và cộng sự [25] đã nghiên cứu dao động tự do, ổn định đàn hồi và dao động tự do phi tuyến, sau ổn định của dầm FGP dựa trên phương pháp Ritz và lý thuyết dầm Timoshenko.
Sử dụng lý thuyết FSDT và chuỗi Chebyshev-Ritz, các đáp ứng dao động đơn trục, hai trục, ổn định cắt và dao động tự do của tấm FGP-GPL cũng được nghiên cứu bởi Yang và cộng sự [26]. Ngoài ra, để kiểm tra biến dạng uốn, dao động tự do và ổn định của tấm FGP-GPL, Li và cộng sự [27] đã khai thác IGA dựa trên cả FSDT 7 Luan van và lý thuyết biến dạng cắt bậc ba (TSDT) để nghiên cứu và xuất bản kết quả.8: Bê tông lỗ rỗng lớn dễ dàng thoát nước (Hình minh họa/Nguồn Internet) Có nhiều lý thuyết tấm khác nhau để phân tích ưng xử của tấm ghép nhiều lớp. Lý thuyết đàn hồi ba chiều (3D) đã được đề xuất để dự báo kết quả chính xác của các bài toán tĩnh không phức tạp và điều chỉnh tính đúng đắn của ứng suất cắt ngang. Tuy nhiên, chi phí tính toán cao hơn nhiều so với lý thuyết tấm 2D.