この方法は、ナノ複合材料に基づくアスファルト中の亀裂全体の自己治癒、およびグラファイトがアスファルトの能力をどのように改善できるかに答えるのに役立ちます。この技術は、実験では容易に評価できない物質的な挙動を解析することができ、自己修復機構に関する基礎となる情報を原子レベルで提供することができる。この方法は、無組織無機系および関連する界面を含む様々な物質系における動的進化の基本的な物理学への洞察を提供し、さらには電気分子を見つめることさえできる。
この手法に慣れていない場合は、シミュレーションを実行する前に、分子動的シミュレーションの基本理論を理解し、各コマンドの基本的な意味を理解する必要があります。マテリアルスタジオソフトウェアを開き、グラフィン用の3次元原子論的文書を作成し、スケッチ原子オプションを使用してグラフィンモデルを構築します。グラファイトドットMSIファイルをマテリアルスタジオにインポートした後、対称の下のビルドメニューで、スーパーセルオプションを使用して最終構造を構築します。
グラフィンシートのサイズを40 x 40オングストロームと定義し、亀裂幅のアスファルトチェーンよりも大きくなります。次に、4種類のアスファルト分子を構築してパックするために、アスファルテン、極性芳香族化合物、ナプテン芳香族化合物、飽和物の3次元原子論文書を別々に作成します。次に、スケッチ原子オプションを使用して、これらの分子の分子構造を描画します。
次に、モジュール下のアモルファスセルメニューから計算オプションを使用して、これら4種類のアスファルト分子をシミュレーションボックスに詰めます。そして、亀裂のあるアスファルト構造を構築するために、亀裂ゾーンの高さをX次元に設定し、70オングストロームの箱の高さと同じにし、Y次元の亀裂ゾーンの深さを箱の高さの半分に35オングストロームとして設定した。亀裂幅の 2 つのケースを Z 次元の 15 オングストロームと 35 オングストロームに設定します。
次に、削除オプションを使用して、アスファルトバルクの中間ダウン領域の亀裂領域の冗長分子を削除し、中間アップ領域のアスファルトマトリックスを変更しないでおきます。平衡を達成するには、シミュレーションボックス全体を500ピコ秒後に完全に弛緩させた等温等圧アンサンブルの下に、1気圧の圧力で温度300ケルビンで配置します。次に、熱コマンドを使用して、温度、圧力、密度、およびエネルギー値を連続的に調べることによって、アスファルトバルクを実験測定値の所望の密度値に平衡化します。
完全に緩和された状態を達成するために、システム全体の平均二乗変位における位置エネルギーの収束を確認してください。次に、自己修復プロセスを実行するために、シミュレーションボックス全体を温度300ケルビン、圧力1気圧の等温等圧アンサンブルの下に設定します。次いで、亀裂帯の輪郭上のアスファルト分子の拘束を除去する。
原子の座標でシミュレーションボックスのサイズを追跡して記録します。次に、dump コマンドを使用して後処理を行います。最後に、3つの異なる初期速度シードを持つ3つの独立した構成で自己修復プロセス中のシミュレーション結果を平均して、ランダムエラーを減らします。
自己修復動作とシミュレーションの進行状況を視覚化するには、可視化ツールOVITOを開き、「LAMMPSによって生成されたLAMMPS TRJ形式の軌道ファイルを開きます。自己修復プロセスのスナップショットを記録し、render コマンドを使用してアスファルト分子のパスを追跡します。次に、原子番号の輪郭を解析するには、原子の座標を軌道ファイルからデータ解析・グラフ作成ソフトにエクスポートします。
システム全体の原子の座標をYZ平面に投影し、YZ平面のさまざまな領域の原子番号を記録し、異なる色で輪郭をプロットします。次に、MSD の計算コマンドを使用して平均二乗変位を計算して、さまざまなアスファルト成分の原子移動度を分析します。次に、計算RDFコマンドとLAMMPSを使用して、15オングストロームおよび35オングストローム亀裂幅を有する改質アスファルトシステムをグラフ化するについて、放射状分布係数(RDF曲線)によってグラフィンとアスファルト分子間の相対位置を計算する。
最後に、RDF曲線を描画して、アスファルトの密度がグラフィンシートからの距離の関数としてどのように変化するかを確認します。純粋なアスファルトの場合、完全な自己治癒は300ピコ秒後に起こります。亀裂ゾーンは50で急激に減少し、200ピコ秒でほとんど消えます。
亀裂表面の左側にグラフィンを挿入すると、自己修復プロセスが大幅に加速する可能性があります。治癒期間は200ピコ秒に短縮され、亀裂幅は20で大幅に減少し、約150ピコ秒でほぼ消滅する。この自己修復挙動は、グラフィンシートが左亀裂表面にあるときに著しく改善された。
グラフィンを左側の亀裂表面に配置すると、極性芳香族化合物、ナプテン芳香族化合物、およびグラフィンの移動度は、純粋なアスファルトのそれと比較して有意に改善された。15オングストローム亀裂幅モデルにおけるアスファルト成分の左亀裂表面におけるグラフィン間のRDF値は、芳香族分子およびアスファルトがグラフィンシート、特に極性芳香族分子およびナプテン芳香族分子に近づくことを示している。35オングストロームの亀裂幅モデルのRDF値が4オングストロームを超える場合、アスファルタイトは拡散してより大きな亀裂ゾーンのグラフィンに向かって移動するスペースが多いため、15オングストロームの亀裂幅モデルのRDF値よりも明白です。
アスファルトモデルに合理的な亀裂を設定し、亀裂が良好に保たれ、システムが完全に平衡化されていることを確認することは非常に重要です。コストグレインモデリングは、より広い範囲の長さスケールを受け入れるためにこの手順に基づいて実行することができ、さらに、異なるスケールでのアスファルトの亀裂の自己修復ももたらされる。この技術は、アスファルトベースのナノ複合材料の高度な改善のための欠陥、写真構造および官能基などの特別な設計でナノフィラーの分子構造を監視および最適化することができる。
