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

De auteurs zijn dankbaar voor de steun van de City University of Hong Kong Strategic Research Grant met het Project No. 7005547, de steun van de Research Grants Council (RGC) van de Hong Kong Special Administrative Region, China, met het Project No. R5007-18, en de steun van Shenzhen Science and Technology Innovation Committee onder de subsidie JCYJ20170818103206501.

1. Bouw de atomistische modellen
<ol><li>Open de Materials Studio-software om vijf 3D-atomistische documenten te maken en hernoem deze documenten als respectievelijk grafeen, asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde stoffen.</li>
	<li>Bouw het grafeenmodel door de eenheidscel van het grafeenblad in het atomistische 3D-document te maken met de optie Sketch Atom .</li>
	<li>Maak de uiteindelijke structuur met de optie Supercell in het menu Build > Symmetry</stro...

De kritische stappen binnen het protocolgedeelte zijn als volgt: stap 1.4 - Bouw en pak de vier soorten asfaltmoleculen; stap 1.5 - Bouw de asfaltstructuur met de scheur; stap 2.3 - Het evenwicht bereiken; stap 2.4 - Voer het zelfgenezende proces uit. Deze stappen geven de meest samenhangende en belangrijke inhoud van het protocol aan. Om de gewenste vormen van de ingebrachte scheur te creëren, wordt het verpakkingsproces aangepast ten opzichte van de normale verpakking in Materials Studio. De scheurvorm wordt gemaakt e...

Verslechtering onder dagelijkse voertuigbelastingen en verschillende omgevingsomstandigheden, en de veroudering van asfalt tijdens gebruik resulteren in degradatie of zelfs structurele storingen, d.w.z. scheuren en raveling, die de duurzaamheid van asfaltverhardingen verder kunnen verzwakken. De inherente reactie van asfalt om microscheuren en holtes te repareren, helpt het automatisch te herstellen van schade en de sterkte te herstellen1. Dit zelfherstellende vermogen kan de levensduur van asfalt aanzienlijk verlengen, onderhoudskosten besparen en de uitstoot van broeikasgassen verminderen 2,3. Het zelfherstellende gedrag van asfalt hangt over het algemeen af van verschillende beïnvloedende factoren, waaronder de chemische samenstelling, de mate van schade en omgevingsomstandigheden4. Het verbeterde zelfherstellend vermogen van asfalt dat schade binnen korte tijd volledig kan herstellen is gewenst; dit heeft uitgebreide onderzoeksinteresse getrokken naar betere mechanische prestaties en duurzaamheid voor asfaltverhardingen binnen de civiele techniek.
Nieuwe methoden om het zelfherstellend vermogen van asfalt te verbeteren, omvatten voornamelijk drie benaderingen - het induceren van verwarming, inkapselingsgenezing en het opnemen van nanomaterialen - die afzonderlijk of tegelijkertijd kunnen worden toegepast5,6. Het induceren van verwarming kan de mobiliteit van asfalt aanzienlijk verbeteren en de zelfherstellende werking ervan activeren voor herstel7. De zelfherstellende technologie van asfalt door verhitting op te wekken kan worden toegeschreven aan de geassisteerde zelfgenezende techniek, die aangeeft dat de zelfherstellende eigenschappen van asfalt worden verbeterd door externe stimuli. Het doel van het toevoegen van de staalwolvezels is om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren om de genezingscapaciteit van het asfaltbindmiddel te vergroten8. De benadering om warmte te induceren is om deze elektrisch geleidende vezels bloot te stellen aan het hoogfrequente wisselende elektromagnetische veld, dat wervelstromen kan induceren, en de warmte-energie kan door de geleidende vezels in het asfaltbindmiddel diffunderen9. De staalwolvezels verbeteren niet alleen de elektrische geleidbaarheid, maar ook de thermische geleidbaarheid, die beide de zelfherstellende eigenschappen van asfalt positief kunnen beïnvloeden. Het is echter een uitdaging om de juiste mengtijd voor vezels te selecteren10. De lengte van vezels neemt af met een langere mengtijd en beïnvloedt de thermische geleidbaarheid, terwijl de verminderde mengtijd leidt tot clusters van vezels en de mechanische eigenschappen van asfalt belemmert9. De inkapselingsmethode kan lichte componenten van verouderd asfalt leveren, zoals aromaten en verzadigde vetzuren, en het zelfherstellend vermogen van asfalt opfrissen11,12. Dit is echter een eenmalige behandeling en de helende materialen kunnen na de release niet worden aangevuld. Met de ontwikkeling van nanotechnologie zijn nanomaterialen veelbelovende modificatoren geworden voor het verbeteren van op asfalt gebaseerde materialen. Asfaltbinders verwerkt met nanomaterialen bieden een betere thermische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen13. Grafeen met uitstekende mechanische prestaties en hoge thermische prestaties wordt beschouwd als een uitstekende kandidaat om het zelfherstellend vermogen van asfalt te verbeteren14,15,16,17. De verhoogde helende eigenschappen van grafeen-gemodificeerd asfalt kunnen worden toegeschreven aan het feit dat grafeen de capaciteit van het asfaltbindmiddel verhoogt om te worden verwarmd en warmteoverdracht in het asfaltbindmiddel produceert, wat betekent dat grafeen-gemodificeerd asfalt sneller kan worden verwarmd en tot een hogere temperatuur kan reiken dan zuiver asfalt18. De gegenereerde warmte kan sneller door het grafeen gemodificeerde asfalt worden overgedragen dan die door zuiver asfalt. Het scheurgebied van het asfaltbindmiddel kan gemakkelijk worden beïnvloed en sneller worden genezen door de warmtestroom met een hogere temperatuur en een hogere verwarmingscapaciteit. De zelfgenezende reactie zal beginnen als de energie die gelijk is aan of groter is dan de helende activeringsenergie aanwezig is op het scheuroppervlak van het asfalt.19. Grafeen kan de thermische activering genezende prestaties verbeteren en de genezingssnelheid van asfalt versnellen19,20. Bovendien kan grafeen tot 50% verwarmingsenergie besparen tijdens het genezingsproces, wat de energie-efficiëntie ten goede kan komen en de onderhoudskosten kan verlagen21. Als een microgolfabsorberend materiaal wordt gemeld dat grafeen het genezend vermogen van asfalt verbetert tijdens de rustperiode van microgolfverwarming22. Verwacht wordt dat de toevoeging van grafeen aan asfalt niet alleen de mechanische prestaties zal verbeteren, maar ook het zelfherstellend en energiebesparend vermogen, wat een grondige kennis van het zelfherstellende mechanisme vereist.
Zelfgenezing op nanoschaal is vooral te danken aan de bevochtiging en diffusie van asfaltmoleculen bij de gebroken vlakken23. Omdat asfalt bestaat uit verschillende polaire en apolaire moleculen, is het zelfherstellend vermogen sterk gerelateerd aan moleculaire interacties en bewegingen van asfaltmoleculen van verschillende componenten1. Het huidige onderzoek is echter voornamelijk gebaseerd op experimentele technieken om macroscopische mechanische eigenschappen te kwantificeren, waardoor ontbrekende informatie ontstaat in de verandering van microstructuren en de interacties tussen asfaltmoleculen bij het proberen het genezingsmechanisme te begrijpen. Het versterkende mechanisme van grafeen in het zelfherstellend vermogen van asfalt is in dit stadium ook onduidelijk. Moleculaire dynamica (MD) simulaties spelen een invloedrijke rol bij het onderzoeken van moleculaire interacties en bewegingen van nanocomposietsystemen, en koppelen microstructurele vervorming aan moleculaire interacties en bewegingen 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simulaties zijn steeds populairder geworden voor het analyseren van materiaalgedrag dat niet gemakkelijk toegankelijk is voor experimenten32,33. Bestaande studies hebben de haalbaarheid en beschikbaarheid van MD-simulaties in asfaltsystemen aangetoond; de cohesie, hechting, veroudering en thermomechanische eigenschappen van asfalt en asfaltcomposieten kunnen worden onderzocht door MD-simulaties 34,35,36,37. Het zelfherstellende gedrag van asfalt kan ook worden voorspeld door MD-simulaties 38,39,40. Daarom wordt aangenomen dat het onderzoek met behulp van MD-simulaties een effectieve manier is om zowel de zelfgenezende als de versterkende mechanismen te begrijpen.
De doelstellingen van deze studie zijn om het zelfherstellende gedrag van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerde asfaltnanocomposieten te onderzoeken en de rol van grafeen bij het verbeteren van het genezend vermogen van asfalt te begrijpen door middel van MD-simulaties. De zelfherstellende simulaties van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerde asfaltcomposieten worden uitgevoerd door scheuren in de oorspronkelijke structuren te introduceren. De zelfherstellende mogelijkheden worden gekenmerkt door de contouren van atoomnummers, de heroriëntatie en verstrengeling van moleculen aan het gebroken gezicht en de mobiliteit van asfaltcomponenten tijdens de zelfherstellende processen. Door de helende efficiëntie van grafeen op verschillende locaties te onderzoeken, wordt het versterkende mechanisme van grafeen onthuld dat bijdraagt aan het zelfherstellend vermogen van asfalt, dat kan helpen bij het optimaal monitoren van nanofillers en zo de levensduur van asfaltverhardingen mogelijk maakt. Een onderzoek naar het zelfherstellend vermogen op atomistische schaal kan een efficiënte manier zijn om geavanceerde op asfalt gebaseerde materialen te ontwikkelen voor toekomstig onderzoek.
Volgens de asfaltchemie bestaat asfalt uit verschillende soorten koolwaterstoffen en niet-koolwaterstoffen met verschillende polariteit en vormen, die voornamelijk kunnen worden onderverdeeld in de vier componenten asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde stoffen41,42. Asfalteenmoleculen zijn relatief groter en zwaarder dan andere moleculen in asfalt, met een gemiddelde atoommassa van ongeveer 750 g/mol en een moleculaire diameter in het bereik van 10-20 Å. Het is algemeen aanvaard dat asfalteen is samengesteld uit grote aromatische kernen die heteroatomen bevatten en omgeven zijn door verschillende lengtes van alkylgroepen43. Er wordt een gemodificeerd asfalteenmolecuul geconstrueerd, zoals weergegeven in figuur 1a. De moleculen van polaire aromaten en nafteenaromaten zijn geconstrueerd op basis van de polariteit en de elementverhouding van asfaltmoleculen, waarbij benzobisbenzothiofeen (C18H10S2) het polaire aromatische molecuul vertegenwoordigt en 1,7-dimethylnaftaleen (C12H12) gekozen als het representatieve aromatische molecuul van nafteen, zoals weergegeven in figuur 1b-c. N-docosaan (n-C 22H46) is geconstrueerd zoals weergegeven in figuur 1d. De in tabel 1 vermelde parameters voor asfaltmoleculen worden geselecteerd en gebruikt om te voldoen aan de gewenste criteria, waaronder de elementaire massafractie, de atoomverhouding en de aromatische/alifatische verhouding van echt asfalt uit experimenten41. Dezelfde massaverhouding is gedefinieerd in onze eerdere studies en de andere thermomechanische eigenschappen zoals dichtheid, glasovergangstemperatuur en viscositeit komen goed overeen met experimentele gegevens van echt asfalt36. De moleculaire structuur van grafeen toegepast in deze studie is weergegeven in figuur 1e. De aangenomen grafeenplaat in deze studie heeft geen defect en geen vouw in vergelijking met die van het echte geval, terwijl de echte grafeenplaat meestal verschillende defecten heeft, zoals atomaire vacatures en Stone-Wales-defecten44, en sommige grafeenplaten kunnen tijdens het mengproces in de asfaltmatrix worden gevouwen45. Deze onvolmaakte situaties worden in deze studie niet overwogen, omdat we ons concentreren op het effect van de plaats van het grafeenblad op de zelfherstellende eigenschappen en deze als enige variabele kiezen. De variabelen van grafeenvellen in termen van de defecten en gevouwen gevallen zullen de focus zijn van onze toekomstige studies. De massaverhouding van grafeen tot asfalt in deze studie is 4,75%, wat de normale situatie (<5%) is voor grafeen gemodificeerd asfalt in het experiment46,47.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig01.jpg"> Figuur 1: Chemische structuur. De atomistische modellen van (a) asfalteenmolecuul (C53H55NOS), (b) aromatisch nafteen molecuul (C12H12), (c) polair aromatisch molecuul (C18H10S2), (d) verzadigd molecuul (C22H46), (e) grafeen en (f) zuiver asfalt. Voor het atomistische asfaltmodel worden de koolstof-, zuurstof-, stikstof-, zwavel- en waterstofatomen weergegeven in respectievelijk grijs, rood, blauw, geel en wit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Asfalt model</td>
			<td>Massa (g/mol)</td>
			<td>Chemische formule</td>
			<td>Aantal moleculen</td>
			<td>Totale massa (g/mol)</td>
			<td>Massafractie (%)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalteen</td>
			<td>754.04</td>
			<td>C53H55NOS</td>
			<td>43</td>
			<td>32423.72</td>
			<td>26</td>
		</tr>
<tr>
<td>Nafteen aromatisch</td>
			<td>156.22</td>
			<td>C12H12
</td>
			<td>65</td>
			<td>10154.3</td>
			<td>8</td>
		</tr>
<tr>
<td>Polair aromatisch</td>
			<td>290.38</td>
			<td>C18H10S2
</td>
			<td>74</td>
			<td>21485.16</td>
			<td>17</td>
		</tr>
<tr>
<td>Verzadigen</td>
			<td>310.59</td>
			<td>C22H46
</td>
			<td>205</td>
			<td>63670.95</td>
			<td>49</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalt bindmiddel</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>387</td>
			<td>127734.13</td>
			<td>100</td>
		</tr>
<tr>
<td>Grafeen</td>
			<td>6369.28</td>
			<td>C525H63
</td>
			<td>1</td>
			<td>6369.28</td>
			<td></td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 1: Algemene componenten van het zuivere asfaltmodel en het grafeen-gemodificeerde asfaltmodel.
Met betrekking tot het hieronder beschreven protocol worden twee soorten wigachtige scheuren met verschillende afmetingen in het midden van het asfaltmodel gestoken met een stompe scheurpunt en twee parallelle scheuroppervlakken, terwijl het middelste bovenste gedeelte van de asfaltmassa intact blijft. Twee scheurbreedtes zijn gekozen als 15 Å en 35 Å, zoals weergegeven in figuur 2a-b. De reden voor het selecteren van 15 Å is dat de scheurbreedte breder moet zijn dan de afsnijding van 12 Å om de vroege zelfgenezing van asfaltmoleculen tijdens het evenwichtsproces te voorkomen tijdens het onderzoeken van een extreem geval voor een kleine scheur. De reden voor de keuze voor 35 Å is dat de scheurbreedte breder moet zijn dan de lengte van de verzadigde moleculen van 34 Å om het overbruggingseffect te voorkomen. De hoogte van de scheur is 35 Å, hetzelfde als de doosbreedte, en de diepte van de scheur is 70 Å, hetzelfde als de dooslengte. In de echte situatie kunnen de waargenomen microscheurgroottes worden gevarieerd in het bereik van enkele micrometers tot enkele millimeters, wat veel groter is dan de lengteschaal die we hier modelleren. Normaal gesproken is de lengteschaal in MD-simulatie beperkt tot de schaal van 100 nm, wat nog steeds enkele ordes van grootte kleiner is dan de echte scheurgrootte. De scheuren ontstaan echter op nanoschaal en groeien uit tot scheuren op macroschaal met continue vervorming48. Het begrip van het zelfherstellende mechanisme op nanoschaal kan helpen om de groei en verdere voortplanting van de scheur op macroschaal te voorkomen. Hoewel de geselecteerde scheurgroottes binnen het bereik van nanometer liggen, kunnen de resultaten nog steeds invloedrijk en toepasbaar zijn om het zelfherstellende gedrag van asfaltmoleculen te onderzoeken. Er zijn twee locaties voor de grafeenplaten in de scheurgebieden: de ene bevindt zich bovenop de scheurpunt en de andere staat loodrecht op het linker scheuroppervlak. Het is gebleken dat dit de meest voorkomende posities zijn voor grafeen in grafeen-gemodificeerde nanocomposieten met scheuren49.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig02.jpg"> Figuur 2: De zelfherstellende schema's voor zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt. Het zelfherstellende model van zuiver asfalt met een scheurbreedte van (a) 15 Å en (b) 35 Å. Het zelfherstellende model van grafeen-gemodificeerd asfalt met de grafeenplaat bevindt zich (c) aan de bovenkant van de scheurpunt en (d) loodrecht op het scheuroppervlak. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
In MD-simulaties worden de intramoleculaire en intermoleculaire interacties in de asfaltnanocomposieten beschreven door het Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, dat goed werkt met op asfalt en grafeen gebaseerde materialen. De functionele vorm van CVFF wordt uitgedrukt als de volgende uitdrukking:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63303/63303eq01v2.jpg"> 1
Hier is de totale energie Etotaal samengesteld uit de gebonden energie termen en de niet-gebonden energie termen. De gebonden interacties bestaan uit de covalente bindingsrek, de bindingshoekbuigenergie, de torsiehoekrotatie en de onjuiste energieën zoals uitgedrukt in de eerste vier termen. De niet-gebonden energie omvat een LJ-12-6 functie voor de term van der Waals (vdW) en een Coulombic functie voor de elektrostatische interacties. CVFF is op grote schaal gebruikt bij het simuleren van asfaltmaterialen51,52. De gesimuleerde fysische en mechanische eigenschappen zoals dichtheid, viscositeit en bulkmodulus komen goed overeen met de experimentele gegevens, die de betrouwbaarheid van CVFF51 aantonen. CVFF is niet alleen geschikt voor anorganische materialen, maar het is ook met succes toegepast in structuren bestaande uit organische en anorganische fasen zoals asfalt-silica52 en het systeem van epoxy-grafeen53. Daarnaast kunnen de interfaciale interacties tussen grafeen en asfalt worden gekarakteriseerd door CVFF36,54. Aangezien het grootste deel bij het selecteren van krachtveld het bepalen van het asfalt-grafeen-interface is, zijn de niet-gebonden interacties beschreven door CVFF betrouwbaarder, wat ook in onze vorige studie wordt overwogen36. Over het algemeen wordt in deze studie het krachtveld CVFF overgenomen. De partiële ladingen voor verschillende soorten atomen worden berekend volgens de krachtveld-toegewezen methode.

<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

Grafeen kan de zelfherstellende eigenschappen van asfalt met een hoge duurzaamheid verbeteren. Het zelfherstellende gedrag van grafeen-gemodificeerd asfalt nanocomposiet en de rol van opgenomen grafeen zijn in dit stadium echter nog onduidelijk. In deze studie worden de zelfherstellende eigenschappen van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt onderzocht door middel van moleculaire dynamica simulaties. Asfaltbulten met twee scheurbreedtes en locaties voor grafeen worden geïntroduceerd en de moleculaire interacties tussen asfaltcomponenten en de grafeenplaat worden geanalyseerd. De resultaten tonen aan dat de locatie van grafeen het zelfherstellende gedrag van asfalt aanzienlijk beïnvloedt. Grafeen in de buurt van het scheuroppervlak kan het zelfherstellende proces aanzienlijk versnellen door interactie met de aromatische moleculen door π-π stapeling, terwijl grafeen in het bovenste gedeelte van de scheurpunt een kleine invloed heeft op het proces. Het zelfherstellende proces van asfalt gaat door de heroriëntatie van asfalteen, polaire aromatische en nafteen aromatische moleculen, en het overbruggen van verzadigde moleculen tussen scheuroppervlakken. Dit diepgaande begrip van het zelfherstellende mechanisme draagt bij aan de kennis van de verbetering voor zelfherstellende eigenschappen, die zullen helpen bij het ontwikkelen van duurzame asfaltverhardingen.

De contour van het atoomnummer De contouren van het atoomnummer van zuivere asfalt- en grafeen-gemodificeerde asfaltmodellen in het yz-vlak worden weergegeven in figuur 3, waar de kleurenbalk van blauw naar rood atoomnummers vertoont die variëren van 0 tot 28. Figuur 3a-c illustreert de contour van het atoomnummer van de structuren met 15 Å scheurbreedte in zuiver asfalt en asfaltnanocomposieten gemodificee...

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

Grafeen-gemodificeerd asfalt nanocomposiet heeft een geavanceerd zelfherstellend vermogen getoond in vergelijking met zuiver asfalt. In dit protocol zijn moleculaire dynamica simulaties toegepast om de rol van grafeen in het zelfgenezende proces te begrijpen en om het zelfgenezende mechanisme van asfaltcomponenten vanaf atomistisch niveau te verkennen.

Geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht

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

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van hele scheuren in asfalt op basis van de nanocomposieten en hoe grafiet de capaciteit van asfalt kan verbeteren. Deze techniek kan materiaalgedrag analyseren dat niet gemakkelijk door experimenten kan worden beoordeeld en kan de onderliggende informatie over het zelfherstellende mechanisme op atomistisch niveau bieden. Deze methode zou inzicht kunnen geven in de fundamentele fysica van dynamische evolutie in verschillende materiaalsystemen, waaronder inorgi-anorganische systemen en gerelateerde interfaces, of zelfs naar elektromoleculen kunnen kijken.Als men niet bekend is met deze techniek, moet men de basistheorie van molecuuldynamische simulaties begrijpen en de basisbetekenis van elk commando achterhalen voordat er simulaties worden uitgevoerd. Om te beginnen opent u de materiaalstudiosoftware, maakt u een driedimensionaal atomistisch document voor grafijn en bouwt u het grafijnmodel met behulp van de schetsatoomoptie. Na het importeren van het MSI-bestand met de grafietpunt in material studio, construeert u in het build-menu onder symmetrie de uiteindelijke structuur met behulp van de superceloptie.Definieer de grootte van de grafijnplaat als 40 bij 40 angstroms, wat groter is dan de asfaltkettingen in de scheurbreedte. Om vervolgens de vier soorten asfaltmoleculen te bouwen en te verpakken, maakt u de driedimensionale atomistische documenten voor asfalteen, polaire aromaten, naptheenaromaten en verzadigde vetzuren afzonderlijk. Teken vervolgens met behulp van de schetsatoomoptie de moleculaire structuren van deze moleculen.Vervolgens, met behulp van de berekeningsoptie uit het amorfe celmenu onder modules, verpak deze vier soorten asfaltmoleculen in de simulatiebox. Om vervolgens de asfaltstructuur met de scheur te bouwen, stelt u de hoogte van de scheurzone in de X-dimensie in, hetzelfde als de hoogte van de doos van 70 angstroms, en stelt u de diepte van de scheurzone in de Y-dimensie in op de helft van de hoogte van de doos als 35 angstroms. Stel twee kasten van de scheurbreedtes in de Z-dimensie van 15 en 35 angstroms.Verwijder vervolgens met behulp van de verwijderoptie de overbodige moleculen in de scheurzones van het middelste neerwaartse gebied van asfaltmassa en houd de asfaltmatrix in het middelste gebied ongewijzigd. Om evenwicht te bereiken, plaatst u de hele simulatiebox volledig ontspannen na 500 picoseconden onder het isothermische ensemble met een temperatuur van 300 Kelvin in druk van 1 atmosfeer. Breng vervolgens met behulp van het thermische commando de asfaltmassa in evenwicht met de gewenste dichtheidswaarde van de experimentele metingen door de temperatuur, druk, dichtheid en energiewaarden voortdurend te onderzoeken.Controleer de convergentie van potentiële energie in de gemiddelde kwadraatverplaatsing in het hele systeem voor het bereiken van de volledig ontspannen toestand. Om vervolgens het zelfherstellende proces uit te voeren, plaatst u de hele simulatiebox onder het isothermische ensemble met een temperatuur van 300 Kelvin en een druk van 1 atmosfeer. Verwijder vervolgens de beperking van de asfaltmoleculen op de contour van de scheurzone.Volg en registreer de grootte van de simulatiebox in de coördinaten van de atomen. Gebruik vervolgens de opdracht dumpen voor nabewerking. Ten slotte, gemiddelde de simulatieresultaten tijdens het zelfherstellende proces over 3 onafhankelijke configuraties met 3 verschillende initiële snelheidszaden om de willekeurige fouten te verminderen.Voor het visualiseren van het zelfherstellende gedrag en de voortgang van de simulatie, opent u de open visualisatietool OVITO "en opent u vervolgens de trajectbestanden in het LAMMPS TRJ-formaat gegenereerd door LAMMPS. Neem de snapshots van het zelfherstellende proces op en volg vervolgens met behulp van het render-commando de paden van de asfaltmoleculen. Om vervolgens de contour van het atoomnummer te analyseren, exporteert u de coördinaten van de atomen uit de trajectbestanden naar de gegevensanalyse- en grafieksoftware.Projecteer de coördinaten van de atomen in het hele systeem op het YZ-vlak, noteer vervolgens atoomnummers op verschillende gebieden van het YZ-vlak en plot de contour met verschillende kleuren. Analyseer vervolgens de atoommobiliteit van verschillende asfaltcomponenten door de gemiddelde kwadraatverplaatsing te berekenen met behulp van de rekenopdracht MSD. Bereken vervolgens met behulp van het rdf-commando en LAMMPS de relatieve posities tussen de grafijn- en asfaltmoleculen door de radiale distributiefactor, of RDF-curven, voor de grafische gemodificeerde asfaltsystemen met de 15 en 35 angstrom scheurbreedtes.Teken ten slotte de RDF-curven om te controleren hoe de dichtheid van asfalt varieert als functie van de afstand tot de grafijnplaat. Voor zuiver asfalt vindt volledige zelfgenezing plaats na 300 picoseconden. De scheurzone neemt sterk af bij 50, verdwijnt bijna op 200 picoseconden.Het inbrengen van de grafijn aan de linkerkant van het scheuroppervlak kan het zelfherstellende proces aanzienlijk versnellen. De genezingsperiode verkort tot 200 picoseconden, waarbij de scheurbreedte aanzienlijk afneemt bij 20 en bijna verdwijnt op ongeveer 150 picoseconden. Het zelfherstellende gedrag verbeterde aanzienlijk wanneer de grafijnplaat zich aan het linker scheuroppervlak bevindt.Wanneer grafine aan het linker scheuroppervlak wordt geplaatst, verbeterden de beweeglijkheden van polaire aromaten, naptheenaromaten en grafijn aanzienlijk in vergelijking met die van zuiver asfalt. RDF-waarden tussen grafijn aan het linker scheuroppervlak in de asfaltcomponenten voor het 15 angstrom scheurbreedtemodel laten zien dat de aromatische moleculen en asfalt dichter bij de grafijnplaat komen, vooral de polaire aromatische moleculen en naptheen aromatische moleculen. Waar het 35 angstrom scheurbreedtemodel RDF-waarden boven 4 angstroms duidelijker zijn dan die van het 15 angstrom scheurbreedtemodel omdat asfaltiet meer ruimte heeft om te diffunderen en naar de grafijn te bewegen in de grotere scheurzone.Het is erg belangrijk om een redelijke scheur in het asfaltmodel te plaatsen en ervoor te zorgen dat een scheur goed wordt onderhouden en het systeem volledig in evenwicht is. Kostenkorrelmodellering kan worden uitgevoerd op basis van deze procedure om een breder bereik van lengteschaal te omarmen, en verder wordt gebracht, de zelfgenezing van scheur in asfalt op verschillende schalen. Deze techniek kan de moleculaire structuur van nanovullers met een speciaal ontwerp bewaken en optimaliseren, zoals defecten, fotostructuur en functionele groepen voor geavanceerde verbetering van op asfalt gebaseerde nanocomposieten.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Synthese en functionalisering van 3D Nano-grafeen Materialen: Grafeen Aerogels en Grafeen Macro Assemblies

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

Integratie van Licht Trapping Silver Nanostructures in gehydrogeneerde Microkristallijn silicium zonnecellen door 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

Voorbereiding van de ZnO nanorod / Grafeen / ZnO nanorod Epitaxiale Double heterostructuur voor piëzo-elektrische nanogenerator met behulp Voorverwarmen Hydrothermal

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 Gebaseerd op Multiscale Composite Materials versterkt met Grafeen 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

Het scannen van SQUID Studie van Vortex manipulatie door Local Contact

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

Experimentele Protocol bij het bepalen van de Chloride-drempelwaarde voor corrosie bij monsters uit gewapend beton-structuren

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

Luchtdruk fabricage van grote en middelgrote enkellaags rechthoekig SnSe vlokken

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

Een efficiënte methode voor selectief ontzilting van radioactief jodium anionen met behulp van de gouden nanodeeltjes-Embedded membraanfilter

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 structuren samengevoegd door ingeprinte Nanofibers voor functionele oppervlakken

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

Voorbereiding van grafeen vloeistof cellen voor de waarneming van Lithium-ion batterij materiaal

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