Name: advanced self-healing asphalt reinforced by graphene structures: an atomistic insight
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight at JoVE.com

Forfatterne er taknemmelige for støtten fra City University of Hong Kong Strategic Research Grant med projekt nr. 7005547, støtten fra Research Grants Council (RGC) i Hong Kong Special Administrative Region, Kina, med projektnr. R5007-18 og støtten fra Shenzhen Science and Technology Innovation Committee under tilskuddet JCYJ20170818103206501.

1. Byg de atomistiske modeller
<ol><li>Åbn Materials Studio-softwaren for at oprette fem 3D-atomistiske dokumenter, og omdøb disse dokumenter til henholdsvis grafen, asfalten, polære aromater, naphthenameromer og mættede fedtsyrer.</li>
	<li>Byg grafenmodellen ved at oprette enhedscellen i grafenarket i det atomistiske 3D-dokument ved hjælp af indstillingen Sketch Atom .</li>
	<li>Konstruer den endelige struktur ved hjælp af indstillingen Supercell i menuen Byg > symmetri...

De kritiske trin i protokoldelen er som følger: trin 1.4 - Byg og pakk de fire typer asfaltmolekyler; trin 1.5 - Byg asfaltstrukturen med revnen; trin 2.3 - Opnå ligevægt; trin 2.4 - Udfør selvhelingsprocessen. Disse trin angiver det mest sammenhængende og vigtige indhold af protokollen. For at skabe de ønskede former for den indsatte revne ændres pakningsprocessen i forhold til den normale pakning i Materials Studio. Revneformen skabes og fyldes inde i simuleringsboksen, og derefter pakkes asfaltmolekylerne ind i...

Forringelse under daglige lastninger af køretøjer og forskellige miljøforhold og ældning af asfalt under drift resulterer i nedbrydning eller endda strukturelle fejl, dvs. revner og raveling, hvilket yderligere kan svække asfaltbelægningernes holdbarhed. Asfaltens iboende reaktion på at reparere mikrorevner og hulrum hjælper den automatisk med at komme sig efter skader og genoprette styrke1. Denne selvhelbredende evne kan forlænge asfaltens levetid betydeligt, spare omkostninger til vedligeholdelse og reducere udledningen af drivhusgasser 2,3. Asfaltens selvhelbredende adfærd afhænger generelt af flere påvirkende faktorer, herunder dens kemiske sammensætning, graden af skade og miljøforhold4. Den forbedrede selvhelbredende evne til asfalt, der fuldt ud kan helbrede skader inden for en kort periode, ønskes; Dette har tiltrukket omfattende forskningsinteresse for bedre mekanisk ydeevne og holdbarhed for asfaltbelægninger inden for anlægsarbejder.
Nye metoder til forbedring af asfaltens selvhelbredende evne omfatter hovedsageligt tre tilgange - inducering af opvarmning, indkapsling og inkorporering af nanomaterialer - som kan anvendes individuelt eller samtidigt5,6. Inducerende opvarmning kan forbedre asfaltens mobilitet betydeligt og aktivere dens selvhelbredende til genopretning7. Asfaltens selvhelbredende teknologi ved at fremkalde opvarmning kan tilskrives den assisterede selvhelbredende teknik, hvilket indikerer, at asfaltens selvhelbredende egenskaber forbedres af eksterne stimuli. Formålet med at tilføje ståluldsfibrene er at forbedre den elektriske ledningsevne for at øge asfaltbindemidlets helingskapacitet8. Fremgangsmåden til at fremkalde varme er at udsætte disse elektrisk ledende fibre for det højfrekvente vekslende elektromagnetiske felt, som kan inducere hvirvelstrømme, og varmeenergien kan diffundere ind i asfaltbindemidlet af de ledende fibre9. Ståluldsfibrene forbedrer ikke kun den elektriske ledningsevne, men også den termiske ledningsevne, som begge kan påvirke asfaltens selvhelbredende egenskaber positivt. Det er dog udfordrende at vælge den rigtige blandingstid for fibre10. Længden af fibre falder med øget blandingstid og påvirker varmeledningsevnen, mens den reducerede blandingstid fører til klynger af fibre og hæmmer asfaltens mekaniske egenskaber9. Indkapslingsmetoden kan levere lette komponenter i lagret asfalt såsom aromater og mættede fedtsyrer og opfriske asfaltens selvhelende evne11,12. Dette er dog en engangsbehandling, og de helbredende materialer kan ikke genopfyldes efter frigivelsen. Med udviklingen af nanoteknologi er nanomaterialer blevet lovende modifikatorer til forbedring af asfaltbaserede materialer. Asfaltbindemidler, der indgår i nanomaterialer, har bedre varmeledningsevne og mekaniske egenskaber13. Grafen med fremragende mekanisk ydeevne og høj termisk ydeevne betragtes som en fremragende kandidat til at forbedre asfaltens selvhelbredende evne14,15,16,17. De øgede helbredende egenskaber ved grafenmodificeret asfalt kan tilskrives det faktum, at grafen øger asfaltbindemidlets kapacitet til opvarmning og producerer varmeoverførsel inde i asfaltbindemidlet, hvilket betyder, at grafenmodificeret asfalt kan opvarmes hurtigere og nå op til højere temperatur end ren asfalt18. Den genererede varme kan overføres gennem den grafenmodificerede asfalt med en hurtigere hastighed end den gennem ren asfalt. Sprækkeområdet på asfaltbindemidlet kan let påvirkes og heles hurtigere af varmestrømmen med højere temperatur og højere varmekapacitet. Den selvhelbredende reaktion vil begynde, hvis den energi, der er lig med eller større end den helbredende aktiveringsenergi, findes ved asfaltens revneoverflade19. Grafen kan forbedre den termiske aktiveringshelingsevne og fremskynde asfaltens helingshastighed19,20. Desuden kan grafen spare varmeenergi op til 50% under helingsprocessen, hvilket kan gavne energieffektiviteten og reducere vedligeholdelsesomkostningerne21. Som et mikrobølgeabsorberende materiale rapporteres grafen at forbedre asfaltens helingsevne i resten af mikrobølgeopvarmningen22. Det forventes, at tilsætningen af grafen i asfalt ikke kun vil forbedre den mekaniske ydeevne, men også den selvhelbredende og energibesparende kapacitet, hvilket kræver indgående kendskab til selvhelbredende mekanisme.
Selvhelbredelse på nanoskala skyldes hovedsageligt befugtning og diffusion af asfaltmolekyler ved de brækkede flader23. Da asfalt består af forskellige polære og ikke-polære molekyler, er dets selvhelbredende evne stærkt relateret til molekylære interaktioner og bevægelser af asfaltmolekyler af forskellige komponenter1. Den nuværende forskning er dog hovedsageligt afhængig af eksperimentelle teknikker til at kvantificere makroskopiske mekaniske egenskaber, hvilket forårsager manglende information i ændringen af mikrostrukturer og interaktionerne mellem asfaltmolekyler, når man forsøger at forstå helingsmekanismen. Den forstærkende mekanisme af grafen i asfaltens selvhelbredende evne er også uklar på dette stadium. Molekylær dynamik (MD) simuleringer spiller en indflydelsesrig rolle i undersøgelsen af molekylære interaktioner og bevægelser af nanokompositsystemer og forbinder mikrostrukturel deformation med molekylære interaktioner og bevægelser 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simuleringer er blevet mere og mere populære til analyse af materialeadfærd, der ikke let kan tilgås af eksperimenter32,33. Eksisterende undersøgelser har vist gennemførligheden og tilgængeligheden af MD-simuleringer i asfaltsystemer; samhørighed, vedhæftning, aldring og termomekaniske egenskaber af asfalt og asfaltkompositter kan udforskes ved HJÆLP AF MD-simuleringer 34,35,36,37. Asfaltens selvhelbredende adfærd kan også forudsiges ved MD-simuleringer 38,39,40. Derfor menes det, at undersøgelsen ved hjælp af MD-simuleringer er en effektiv måde at forstå både de selvhelbredende og forstærkende mekanismer på.
Formålet med denne undersøgelse er at undersøge den selvhelbredende adfærd hos ren asfalt og grafenmodificerede asfaltnanokompositter og at forstå grafens rolle i forbedringen af asfaltens helbredende kapacitet gennem MD-simuleringer. De selvhelende simuleringer af ren asfalt og grafenmodificerede asfaltkompositter udføres ved at indføre revner i de oprindelige strukturer. De selvhelbredende evner er kendetegnet ved konturen af atomnumre, omorientering og sammenfiltring af molekyler ved det brudte ansigt og mobiliteten af asfaltkomponenter under selvhelingsprocesserne. Ved at undersøge grafens helbredende effektivitet på forskellige steder afsløres den forstærkende mekanisme af grafen, der bidrager til asfaltens selvhelbredende evner, hvilket kan hjælpe med overvågningen af nanofyldstoffer på en optimal måde og dermed muliggøre levetidsforlængelse af asfaltbelægninger. En undersøgelse af den selvhelbredende kapacitet på atomistisk skala kan give en effektiv måde at udvikle avancerede asfaltbaserede materialer til fremtidig forskning.
Ifølge asfaltkemi består asfalt af forskellige typer carbonhydrider og ikke-carbonhydrider med forskellig polaritet og former, som hovedsageligt kan opdeles i de fire komponenter i asfalt, polære aromater, naphthene aromater og mættedefedtsyrer 41,42. Asfaltmolekyler er relativt større og tungere end andre molekyler i asfalt med en gennemsnitlig atommasse på ca. 750 g/mol og en molekyldiameter i området 10-20 Å. Det er blevet bredt accepteret, at asfalt er sammensat af store aromatiske kerner, der indeholder heteroatomer og er omgivet af forskellige længder af alkylgrupper43. Et modificeret asfaltmolekyle konstrueres, som vist i figur 1a. Molekylerne af polære aromater og naphthenataler er konstrueret ud fra polariteten og elementforholdet mellem asfaltmolekyler, hvor benzobisbenzothiophen (C18H10S2) repræsenterer det polære aromatiske molekyle og 1,7-dimethylnaphthalen (C12H12) valgt som det repræsentative naphthene aromatiske molekyle, som vist i figur 1b-c. N-docosane (n-C22 H46) er konstrueret som vist i figur 1d. Parametrene i tabel 1 for asfaltmolekyler udvælges og anvendes til at opfylde de ønskede kriterier, herunder den elementære massefraktion, atomforholdet og det aromatiske/alifatiske forhold for ægte asfalt fra forsøg41. Det samme masseforhold er defineret i vores tidligere undersøgelser, og de andre termomekaniske egenskaber som densitet, glasovergangstemperatur og viskositet er i god overensstemmelse med eksperimentelle data for ægte asfalt36. Den molekylære struktur af grafen anvendt i denne undersøgelse er vist i figur 1e. Det vedtagne grafenark i denne undersøgelse har ingen defekt og ingen fold i forhold til det virkelige tilfælde, mens det virkelige grafenark normalt har flere defekter såsom atomare ledige stillinger og Stone-Wales-defekter44, og nogle af grafenarkene kan foldes under blandingsprocessen iasfaltmatrixen 45. Disse ufuldkomne situationer overvejes ikke i denne undersøgelse, da vi fokuserer på effekten af grafenarkets sted på de selvhelbredende egenskaber og vælger det som den eneste variabel. Variablerne af grafenark med hensyn til defekter og foldede tilfælde vil være fokus for vores fremtidige undersøgelser. Masseforholdet mellem grafen og asfalt i denne undersøgelse er 4,75%, hvilket er den normale situation (<5%) for grafenmodificeret asfalt i eksperimentet46,47.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig01.jpg"> Figur 1: Kemisk struktur. De atomistiske modeller af (a) asfaltmolekyle (C53H55NOS), (b) naphthen aromatisk molekyle (C12H12), (c) polært aromatisk molekyle (C18H10S2), (d) mættet molekyle (C22H46), (e) grafen og (f) ren asfalt. For den atomistiske asfaltmodel er kulstof-, ilt-, nitrogen-, svovl- og hydrogenatomerne vist i henholdsvis grå, rød, blå, gul og hvid. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Asfalt model</td>
			<td>Masse (g/mol)</td>
			<td>Kemisk formel</td>
			<td>Antal molekyler</td>
			<td>Samlet masse (g/mol)</td>
			<td>Massefraktion (%)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalt</td>
			<td>754.04</td>
			<td>C53H55NOS</td>
			<td>43</td>
			<td>32423.72</td>
			<td>26</td>
		</tr>
<tr>
<td>Naphthene aromatisk</td>
			<td>156.22</td>
			<td>C12H12
</td>
			<td>65</td>
			<td>10154.3</td>
			<td>8</td>
		</tr>
<tr>
<td>Polær aromatisk</td>
			<td>290.38</td>
			<td>C18H10S2
</td>
			<td>74</td>
			<td>21485.16</td>
			<td>17</td>
		</tr>
<tr>
<td>Mætte</td>
			<td>310.59</td>
			<td>C22H46
</td>
			<td>205</td>
			<td>63670.95</td>
			<td>49</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfaltbindemiddel</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>387</td>
			<td>127734.13</td>
			<td>100</td>
		</tr>
<tr>
<td>Grafen</td>
			<td>6369.28</td>
			<td>C525H63
</td>
			<td>1</td>
			<td>6369.28</td>
			<td></td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 1: Overordnede komponenter i ren asfaltmodel og grafenmodificeret asfaltmodel.
Med hensyn til protokollen beskrevet nedenfor indsættes to typer kilelignende revner med forskellige størrelser i midten af asfaltmodellen med en stump revnespids og to parallelle revneoverflader, mens asfaltbulksens midterste topområde forbliver intakt. To revnebredder er valgt som 15 Å og 35 Å, som vist i figur 2a-b. Begrundelsen for at vælge 15 Å er, at revnebredden skal være bredere end afskæringen på 12 Å for at undgå tidlig selvheling af asfaltmolekyler under ligevægtsprocessen, mens man undersøger et ekstremt tilfælde for en lille revne. Begrundelsen for at vælge 35 Å er, at revnebredden skal være bredere end længden af de mættede molekyler på 34 Å for at forhindre brobygningseffekten. Revnens højde er 35 Å, det samme som kassens bredde, og revnens dybde er 70 Å, det samme som kasselængden. I den virkelige situation kan de observerede mikrorevnestørrelser varieres i området fra flere mikrometer til flere millimeter, hvilket er langt større end den længdeskala, vi modellerer her. Normalt er længdeskalaen i MD-simulering begrænset til skalaen på 100 nm, hvilket stadig er flere størrelsesordener mindre end den reelle revnestørrelse. Revnerne starter imidlertid på nanoskala og vokser til makroskala revner med kontinuerlig deformation48. Forståelsen af den selvhelbredende mekanisme på nanoskala kan bidrage til at forhindre vækst og yderligere udbredelse af revnen på makroskalaen. Selvom de udvalgte revnestørrelser ligger inden for nanometerområdet, kan resultaterne stadig være indflydelsesrige og anvendelige til at udforske asfaltmolekylernes selvhelbredende adfærd. Der er to placeringer for grafenarkene i revneområderne: den ene er oven på revnespidsen, og den anden er vinkelret på venstre revneoverflade. Det har vist sig, at disse er de mest almindelige positioner for grafen i grafenmodificerede nanokompositter med revner49.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig02.jpg"> Figur 2: De selvhelbredende ordninger for ren asfalt og grafenmodificeret asfalt. Den selvhelende model af ren asfalt med en revnebredde på (a) 15 Å og (b) 35 Å. Den selvhelende model af grafenmodificeret asfalt med grafenarket er placeret (c) øverst på revnespidsen og (d) vinkelret på revneoverfladen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig02large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
I MD-simuleringer beskrives de intramolekylære og intermolekylære interaktioner i asfaltnanokompositterne af Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, som fungerer godt med asfalt- og grafenbaserede materialer. Den funktionelle form for CVFF udtrykkes som følgende udtryk:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63303/63303eq01v2.jpg"> 1
Her er den samlede energi Etotal sammensat af de bundne energitermer og de ikke-bundne energitermer. De bundne interaktioner består af den kovalente bindingsstrækning, bindingsvinkelbøjningsenergien, torsionsvinkelrotationen og de ukorrekte energier som udtrykt i de første fire udtryk. Den ikke-bundne energi omfatter en LJ-12-6-funktion for van der Waals (vdW) -udtrykket og en Coulombic-funktion for de elektrostatiske interaktioner. CVFF har været meget udbredt i simulering af asfaltmaterialer51,52. De simulerede fysiske og mekaniske egenskaber såsom densitet, viskositet og bulkmodul er i god overensstemmelse med de eksperimentelle data, som viser pålideligheden af CVFF51. CVFF er ikke kun velegnet til uorganiske materialer, men det er også blevet anvendt med succes i strukturer bestående af organiske og uorganiske faser såsom asfalt-silica52 og systemet med epoxy-grafen53. Derudover kan grænsefladeinteraktionerne mellem grafen og asfalt karakteriseres ved CVFF36,54. Da hoveddelen i udvælgelsen af forcefield er at bestemme asfalt-grafen-grænsefladen, er de ikke-bundne interaktioner beskrevet af CVFF mere pålidelige, hvilket også overvejes i vores tidligere undersøgelse36. Samlet set er forcefield CVFF vedtaget i denne undersøgelse. De delvise ladninger for forskellige slags atomer beregnes ved hjælp af den kraftfelt-tildelte metode.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio</td>
			<td>BIOVIA</td>
			<td>Materials Studio 8.0</td>
			<td>The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package</td>
			<td>Sandia National Laboratories</td>
			<td>lammps-stable20</td>
			<td>The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OVITO</td>
			<td>Materials Science Department of Technische Universit&#228;t Darmstadt, Germany</td>
			<td>ovito-basic-3.1.0-win64</td>
			<td>The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Origin</td>
			<td>OriginLab</td>
			<td>Origin 2018 64Bit</td>
			<td>The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

advanced self-healing asphalt reinforced by graphene structures: an atomistic insight

Grafen kan forbedre asfaltens selvhelbredende egenskaber med høj holdbarhed. Imidlertid er den selvhelbredende adfærd af grafenmodificeret asfaltnanokomposit og rollen som inkorporeret grafen stadig uklar på dette stadium. I denne undersøgelse undersøges de selvhelbredende egenskaber ved ren asfalt og grafenmodificeret asfalt gennem molekylære dynamiksimuleringer. Asfaltbulkser med to revnebredder og placeringer for grafen introduceres, og de molekylære interaktioner mellem asfaltkomponenter og grafenarket analyseres. Resultaterne viser, at placeringen af grafen signifikant påvirker asfaltens selvhelbredende adfærd. Grafen nær revneoverfladen kan i høj grad fremskynde selvhelingsprocessen ved at interagere med de aromatiske molekyler gennem π-π stabling, mens grafen i det øverste område af revnespidsen har en mindre indvirkning på processen. Asfaltens selvhelingsproces går gennem omorientering af asfalt, polære aromatiske og naphthene aromatiske molekyler og brobygning af mættede molekyler mellem revneoverflader. Denne dybdegående forståelse af selvhelbredende mekanisme bidrager til kendskabet til forbedringen af selvhelbredende egenskaber, som vil bidrage til at udvikle holdbare asfaltbelægninger.

Konturen af atomnummer Konturerne af atomantallet af rene asfalt- og grafenmodificerede asfaltmodeller i yz-planet er vist i figur 3, hvor farvebjælken fra blå til rød udviser atomnumre, der varierer fra 0 til 28. Figur 3a-c illustrerer konturen af atomnummeret på strukturerne med 15 Å revnebredde i ren asfalt og asfaltnanokompositter modificeret af grafen ved revnespidsen og revneoverfladen. For ren asf...

Watch this Scientific Journal Video about Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight at JoVE.com

Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight

Grafenmodificeret asfaltnanokomposit har vist en avanceret selvhelende evne sammenlignet med ren asfalt. I denne protokol er molekylære dynamiksimuleringer blevet anvendt for at forstå grafens rolle i selvhelingsprocessen og for at udforske selvhelbredende mekanisme for asfaltkomponenter fra det atomistiske niveau.

Avanceret selvhelbredende asfalt forstærket af grafenstrukturer: En atomistisk indsigt

Graphene can improve the self-healing properties of asphalt with high durability. However, the self-healing behaviors of graphene-modified asphalt ...

Denne metode kan hjælpe med at besvare hele crack-selvhelinger i asfaltbaseret nanokompositterne, og hvordan grafit kan forbedre asfaltens kapacitet. Denne teknik kan analysere materiel adfærd, der ikke let kan vurderes ved eksperimenter, og kan give de underliggende oplysninger om selvhelbredende mekanisme på et atomistisk niveau. Denne metode kan give indsigt i grundlæggende fysik af dynamisk udvikling i forskellige materialesystemer, herunder inorgi-uorganiske systemer og relaterede grænseflader, eller endda se på elektromolekyler.Hvis man ikke er bekendt med denne teknik, skal man forstå den grundlæggende teori om molekyledynamiske simuleringer og finde ud af den grundlæggende betydning af hver kommando, inden man udfører simuleringer. For at begynde at åbne materialestudiesoftwaren skal du derefter oprette et tredimensionelt atomistisk dokument til grafin og opbygge grafinmodellen ved hjælp af skitseatomindstillingen. Efter import af grafitpik MSI-filen til materialestudiet skal du i build-menuen under symmetri konstruere den endelige struktur ved hjælp af supercelleindstillingen.Definer størrelsen på grafinarket som 40 x 40 angstroms, hvilket er større end asfaltkæderne i revnebredden. For at opbygge og pakke de fire typer asfaltmolekyler skal du derefter oprette de tredimensionelle atomistiske dokumenter for asfalt, polære aromater, napthenearomater og mættede stoffer separat. Brug derefter skitseatomindstillingen til at tegne de molekylære strukturer af disse molekyler.Brug derefter beregningsindstillingen fra den amorfe cellemenu under moduler til at pakke disse fire slags asfaltmolekyler ind i simuleringsboksen. For at bygge asfaltstrukturen med revnen skal du derefter indstille højden af revnezonen i X-dimensionen, det samme som højden på kassen på 70 angstroms, og indstille dybden af revnezonen i Y-dimensionen til halvdelen af kassens højde som 35 angstroms. Indstil to tilfælde af revnebredderne i Z-dimensionen på 15 og 35 angstroms.Brug derefter sletningsindstillingen til at slette de overflødige molekyler i revnezonerne i det midterste nedadliggende område af asfaltbulk og holde asfaltmatrixen i midten op-området uændret. For at opnå ligevægt skal du placere hele simuleringsboksen helt afslappet efter 500 picosekunder under det isotermiske isobariske ensemble med en temperatur på 300 Kelvin i tryk på 1 atmosfære. Derefter udlignes asfaltbulksten ved hjælp af den termiske kommando til den ønskede densitetsværdi af de eksperimentelle målinger ved kontinuerligt at undersøge temperatur-, tryk-, densitets- og energiværdierne.Kontroller konvergensen af potentiel energi i den gennemsnitlige kvadrerede forskydning i hele systemet for at opnå den fuldt afslappede tilstand. For at udføre selvhelingsprocessen skal du derefter indstille hele simuleringsboksen under det isotermiske isobariske ensemble med en temperatur på 300 Kelvin og tryk på 1 atmosfære. Fjern derefter asfaltmolekylernes begrænsning på revnezonens kontur.Spor og registrer størrelsen af simuleringsboksen i atomernes koordinater. Brug derefter kommandoen dump til efterbehandling. Endelig gennemsnit simuleringsresultaterne under selvhelingsprocessen over 3 uafhængige konfigurationer med 3 forskellige indledende hastighedsfrø for at reducere de tilfældige fejl.For at visualisere den selvhelbredende adfærd og simuleringsfremskridt skal du åbne det åbne visualiseringsværktøj OVITO"Åbn derefter banefilerne i LAMMPS TRJ-formatet genereret af LAMMPS. Optag snapshots af selvhelingsprocessen, og spor derefter asfaltmolekylernes stier ved hjælp af gengivelseskommandoen. For at analysere atomnummerets kontur skal du eksportere atomernes koordinater fra banefilerne til dataanalyse- og grafsoftwaren.Projicer koordinaterne for atomerne i hele systemet på YZ-planet, og optag derefter atomnumre på forskellige områder af YZ-planet og plot konturen med forskellige farver. Analyser derefter atommobiliteten af forskellige asfaltkomponenter ved at beregne den gennemsnitlige kvadrerede forskydning ved hjælp af kommandoen compute MSD. Derefter beregnes RDF-kommandoen og LAMMPS de relative positioner mellem grafin- og asfaltmolekylerne ved hjælp af den radiale fordelingsfaktor eller RDF-kurver for de grafmodificerede asfaltsystemer med 15 og 35 angstrom revnebredder.Til sidst skal du tegne RDF-kurverne for at kontrollere, hvordan asfaltens tæthed varierer som en funktion af afstanden fra grafinarket. For ren asfalt sker fuldstændig selvhelbredelse efter 300 picosekunder. Revnezonen falder kraftigt ved 50, forsvinder næsten ved 200 picosekunder.Indsættelse af grafinen til venstre for revneoverfladen kan betydeligt fremskynde selvhelingsprocessen. Helingsperioden forkortes til 200 picosekunder, hvor revnebredden falder betydeligt ved 20 og næsten forsvinder omkring 150 picosekunder. Den selvhelbredende adfærd forbedres betydeligt, når grafinarket er på venstre revneoverflade.Når grafin placeres på venstre revneoverflade, forbedres mobiliteterne af polære aromater, napthenamatiske og grafin signifikant sammenlignet med ren asfalt. RDF-værdier mellem grafin ved venstre revneoverflade i asfaltkomponenterne til 15 angstrom crack-breddemodellen viser, at de aromatiske molekyler og asfalt bevæger sig tættere på grafinarket, især de polære aromatiske molekyler og napthene aromatiske molekyler. Hvor 35 angstrom crack width modellen RDF værdier ud over 4 angstroms er mere indlysende end dem i 15 angstrom crack bredde modellen, fordi asfalt har mere plads til at diffundere og bevæge sig mod grafinen i den større revnezone.Det er meget vigtigt at sætte en rimelig revne i asfaltmodellen, samtidig med at det sikres, at en revne holdes godt, og at systemet er fuldt ligevægtet. Omkostningskornmodellering kan udføres baseret på denne procedure for at omfavne et bredere udvalg af længdeskala, og yderligere bringes selvheling af revne i asfalt i forskellige skalaer. Denne teknik kan overvåge og optimere den molekylære struktur af nanofyldstoffer med specielt design, såsom defekter, fotostruktur og funktionelle grupper til avanceret forbedring af asfaltbaserede nanokompositter.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Syntese og Funktionalisering af 3D Nano-graphene Materialer: Graphene Aerogeler og Graphene Macro forsamlinger

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

Integration af Light fældefangst Sølv Nanostrukturer i hydrogeneret Mikrokrystallinsk silicium solceller ved Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Preparation of ZnO Nanorod/Graphene/ZnO Nanorod Epitaxial Double Heterostructure for Piezoelectrical Nanogenerator by Using Preheating Hydrothermal

Udarbejdelse af ZnO nanorod / Graphene / ZnO nanorod Epitaksial Dobbelt heterostruktur til piezoelektriske Nanogenerator ved hjælp Forvarmning Hydrotermisk

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

Strain Sensing Baseret på multiscale Composite Materials Forstærket med Graphene Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Scanning SQUID Undersøgelse af Vortex Manipulation af Kommunernes Kontakt

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

Experimental Protocol to Determine the Chloride Threshold Value for Corrosion in Samples Taken from Reinforced Concrete Structures

Eksperimentel protokol til at bestemme chlorid tærskelværdien for korrosion i prøver udtaget af jernbeton strukturer

The aging of reinforced concrete infrastructure in developed countries imposes an urgent need for methods to reliably assess the condition of these ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Atmosfærisk tryk fabrikation af store lag rektangulære SnSe flager

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

An Efficient Method for Selective Desalination of Radioactive Iodine Anions by Using Gold Nanoparticles-Embedded Membrane Filter

En effektiv metode til selektiv afsaltning af radioaktivt jod anioner ved hjælp af guld nanopartikler-Embedded membranfilter

Here, we demonstrate a detail protocol for the preparation of nanomaterials-embedded composite membranes and its application to the efficient and ...

Multiscale Structures Aggregated by Imprinted Nanofibers for Functional Surfaces

Multiscale strukturer kvadratnetceller påtrykt Nanofibers for funktionelle overflader

Multiscale surface structures have attracted increasing interest owing to several potential applications in surface devices. However, an existing ...

Preparation of Graphene Liquid Cells for the Observation of Lithium-ion Battery Material

Forberedelse af Graphene væske celler til iagttagelse af Lithium-ion batteri materiale

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between ...