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

Die Autoren sind dankbar für die Unterstützung durch den City University of Hong Kong Strategic Research Grant mit der Projekt-Nr. 7005547, die Unterstützung durch den Research Grants Council (RGC) der Sonderverwaltungsregion Hongkong, China, mit der Projekt-Nr. R5007-18 und die Unterstützung des Shenzhen Science and Technology Innovation Committee im Rahmen des Zuschusses JCYJ20170818103206501.

1. Erstellen Sie die atomistischen Modelle
<ol><li>Öffnen Sie die Materials Studio-Software, um fünf atomistische 3D-Dokumente zu erstellen, und benennen Sie diese Dokumente in Graphen, Asphalten, polare Aromaten, Naphthenaromaten und gesättigte Fettsäuren um.</li>
	<li>Erstellen Sie das Graphenmodell, indem Sie die Einheitszelle des Graphenblatts im atomistischen 3D-Dokument mit der Option Atom skizzieren (Sketch Atom) erstellen.</li>
	<li>Erstellen Sie die endgültige Struktur mi...

Die kritischen Schritte innerhalb des Protokollteils lauten wie folgt: Schritt 1.4 - Bauen und verpacken Sie die vier Arten von Asphaltmolekülen; Schritt 1.5 - Bauen Sie die Asphaltstruktur mit dem Riss auf; Schritt 2.3 - Erreichen des Gleichgewichts; Schritt 2.4 - Führen Sie den Selbstheilungsprozess durch. Diese Schritte zeigen die zusammenhängendsten und wichtigsten Inhalte des Protokolls an. Um die gewünschten Formen des eingefügten Risses zu erzeugen, wird der Verpackungsprozess im Vergleich zur normalen Verpac...

<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

Graphen kann die selbstheilenden Eigenschaften von Asphalt mit hoher Haltbarkeit verbessern. Das Selbstheilungsverhalten von graphenmodifizierten Asphalt-Nanokompositen und die Rolle von eingebautem Graphen sind jedoch zu diesem Zeitpunkt noch unklar. In dieser Studie werden die selbstheilenden Eigenschaften von reinem Asphalt und graphenmodifiziertem Asphalt durch molekulardynamische Simulationen untersucht. Es werden Asphaltmassen mit zwei Rissbreiten und -stellen für Graphen eingeführt und die molekularen Wechselwirkungen zwischen Asphaltkomponenten und der Graphenplatte analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lage von Graphen das Selbstheilungsverhalten von Asphalt signifikant beeinflusst. Graphen in der Nähe der Rissoberfläche kann den Selbstheilungsprozess stark beschleunigen, indem es mit den aromatischen Molekülen durch π-π-Stapelung interagiert, während Graphen im oberen Bereich der Rissspitze einen geringen Einfluss auf den Prozess hat. Der Selbstheilungsprozess von Asphalt durchläuft die Neuorientierung von Asphalten-, polaren aromatischen und naphthenaromatischen Molekülen und die Überbrückung gesättigter Moleküle zwischen Rissoberflächen. Dieses vertiefte Verständnis des Selbstheilungsmechanismus trägt zur Kenntnis der Verbesserung der Selbstheilungseigenschaften bei, die zur Entwicklung langlebiger Asphaltbeläge beitragen werden.

Die Kontur der Atomzahl Die Konturen der Atomzahl von reinen Asphalt- und graphenmodifizierten Asphaltmodellen in der yz-Ebene sind in Abbildung 3 dargestellt, wo der Farbbalken von blau bis rot Atomzahlen aufweist, die von 0 bis 28 variieren. Abbildung 3a-c zeigt die Kontur der Atomzahl der Strukturen mit einer Rissbreite von 15 Å in reinen Asphalt- und Asphaltnanokompositen, die an der Rissspitze und an de...

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

Graphen-modifizierte Asphalt-Nanokomposite haben im Vergleich zu reinem Asphalt eine fortschrittliche Selbstheilungsfähigkeit gezeigt. In diesem Protokoll wurden molekulardynamische Simulationen angewendet, um die Rolle von Graphen im Selbstheilungsprozess zu verstehen und den Selbstheilungsmechanismus von Asphaltkomponenten von atomistischer Ebene aus zu untersuchen.

Fortschrittlicher selbstheilender Asphalt, verstärkt durch Graphenstrukturen: eine atomistische Erkenntnis

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

Diese Methode kann dazu beitragen, ganze Risse in Asphalt auf Basis der Nano-Verbundwerkstoffe zu beantworten und wie Graphit die Kapazität von Asphalten verbessern kann. Diese Technik kann materielle Verhaltensweisen analysieren, die nicht leicht durch Experimente beurteilt werden können, und kann die zugrunde liegenden Informationen über den Selbstheilungsmechanismus auf atomarer Ebene liefern. Diese Methode könnte Einblicke in die grundlegende Physik der dynamischen Evolution in verschiedenen Materialsystemen, einschließlich inorgi-anorganischer Systeme und verwandter Grenzflächen, liefern oder sogar Elektromoleküle betrachten.Wenn man mit dieser Technik nicht vertraut ist, sollte man die grundlegende Theorie der dynamischen Simulationen von Molekülen verstehen und die grundlegende Bedeutung jedes Befehls herausfinden, bevor man Simulationen durchführt. Öffnen Sie zunächst die Material Studio-Software, erstellen Sie ein dreidimensionales atomistisches Dokument für Graphin und erstellen Sie das Graphinmodell mit der Option "Atom skizzieren". Nachdem Sie die MSI-Datei mit dem Graphitpunkt in Material Studio importiert haben, erstellen Sie im Menü "Erstellen" unter "Symmetrie" die endgültige Struktur mit der Option "Superzellen".Definieren Sie die Größe der Graphinplatte als 40 x 40 Angström, was in der Rissbreite größer ist als die Asphaltketten. Als nächstes, um die vier Arten von Asphaltmolekülen zu bauen und zu verpacken, erstellen Sie die dreidimensionalen atomistischen Dokumente für Asphalten, polare Aromaten, Napthenaromaten und gesättigte Fettsäuren separat. Zeichnen Sie dann mit der Option "Atom skizzieren" die molekularen Strukturen dieser Moleküle.Als nächstes packen Sie mit der Berechnungsoption aus dem amorphen Zellmenü unter Module diese vier Arten von Asphaltmolekülen in die Simulationsbox. Um dann die Asphaltstruktur mit dem Riss zu bauen, legen Sie die Höhe der Risszone in der X-Dimension fest, die der Höhe der Box mit 70 Angström entspricht, und legen Sie die Tiefe der Risszone in der Y-Dimension auf die Hälfte der Höhe der Box als 35 Angström fest. Setzen Sie zwei Gehäuse der Rissbreiten in der Z-Dimension von 15 und 35 Angström.Löschen Sie dann mit der Löschoption die redundanten Moleküle in den Risszonen des mittleren unteren Bereichs des Asphaltvolumens und behalten Sie die Asphaltmatrix im mittleren oberen Bereich unverändert bei. Um ein Gleichgewicht zu erreichen, platzieren Sie die gesamte Simulationsbox nach 500 Pikosekunden vollständig entspannt unter dem isothermen isobaren Ensemble mit einer Temperatur von 300 Kelvin im Druck von 1 Atmosphäre. Gleichen Sie dann mit dem thermischen Befehl die Asphaltmasse auf den gewünschten Dichtewert der experimentellen Messungen aus, indem Sie kontinuierlich die Temperatur-, Druck-, Dichte- und Energiewerte untersuchen.Überprüfen Sie die Konvergenz der potentiellen Energie in der mittleren quadratischen Verschiebung im gesamten System, um den vollständig entspannten Zustand zu erreichen. Als nächstes, um den Selbstheilungsprozess durchzuführen, stellen Sie die gesamte Simulationsbox unter das isotherme isobare Ensemble mit einer Temperatur von 300 Kelvin und einem Druck von 1 Atmosphäre. Entfernen Sie dann die Einschränkung der Asphaltmoleküle auf die Kontur der Risszone.Verfolgen und notieren Sie die Größe der Simulationsbox in den Koordinaten der Atome. Verwenden Sie dann den Befehl dump für die Nachbearbeitung. Schließlich, durchschnittlich die Simulationsergebnisse während des Selbstheilungsprozesses über 3 unabhängige Konfigurationen mit 3 verschiedenen Anfangsgeschwindigkeits-Seeds, um die zufälligen Fehler zu verringern.Um das Selbstheilungsverhalten und den Simulationsfortschritt zu visualisieren, öffnen Sie das offene Visualisierungstool OVITO und öffnen Sie dann die von LAMMPS generierten Trajektoriendateien im LAMMPS TRJ-Format. Nehmen Sie die Momentaufnahmen des Selbstheilungsprozesses auf und verfolgen Sie dann mit dem Befehl render die Wege der Asphaltmoleküle. Um die Kontur der Atomzahl zu analysieren, exportieren Sie als Nächstes die Koordinaten der Atome aus den Trajektoriendateien in die Datenanalyse- und Grafiksoftware.Projizieren Sie die Koordinaten der Atome im gesamten System auf die YZ-Ebene, zeichnen Sie dann Atomzahlen in verschiedenen Bereichen der YZ-Ebene auf und zeichnen Sie die Kontur mit verschiedenen Farben auf. Als nächstes analysieren Sie die Atombeweglichkeit verschiedener Asphaltkomponenten, indem Sie die mittlere quadratische Verschiebung mit dem Befehl MSD berechnen. Berechnen Sie dann mit dem Befehl RDF berechnen und LAMMPS die relativen Positionen zwischen den Graphin- und Asphaltmolekülen anhand des radialen Verteilungsfaktors oder der RDF-Kurven für die grafische Darstellung modifizierter Asphaltsysteme mit den Angström-Rissbreiten 15 und 35.Zeichnen Sie schließlich die RDF-Kurven, um zu überprüfen, wie die Dichte des Asphalts in Abhängigkeit von der Entfernung von der Graphinplatte variiert. Bei reinem Asphalt erfolgt die vollständige Selbstheilung nach 300 Pikosekunden. Die Risszone nimmt mit 50 stark ab, verschwindet bei 200 Pikosekunden fast.Das Einsetzen des Graphins auf der linken Seite der Rissoberfläche kann den Selbstheilungsprozess erheblich beschleunigen. Die Heilungszeit verkürzt sich auf 200 Pikosekunden, wobei die Rissbreite bei 20 deutlich abnimmt und bei etwa 150 Pikosekunden fast verschwindet. Das Selbstheilungsverhalten verbesserte sich deutlich, wenn sich das Graphinblatt an der linken Rissoberfläche befindet.Wenn Graphin an der linken Rissoberfläche platziert wird, verbesserten sich die Beweglichkeiten von polaren Aromaten, Napthenaromaten und Graphin im Vergleich zu reinem Asphalt signifikant. RDF-Werte zwischen Graphin an der linken Rissfläche in den Asphaltkomponenten für das 15-Angström-Rissbreitenmodell zeigen, dass sich die aromatischen Moleküle und der Asphalt näher an die Graphinplatte bewegen, insbesondere die polaren aromatischen Moleküle und die aromatischen Napthenmoleküle. Wo das 35-Angström-Rissbreitenmodell RDF-Werte jenseits von 4 Angström sind offensichtlicher als die des 15-Angström-Rissbreitenmodells, da Asphaltit mehr Platz hat, um zu diffundieren und sich in Richtung des Graphens in der größeren Risszone zu bewegen.Es ist sehr wichtig, einen vernünftigen Riss im Asphaltmodell zu setzen und gleichzeitig sicherzustellen, dass ein Riss gut gepflegt wird und das System vollständig ausgeglichen ist. Die Kostenkornmodellierung kann auf der Grundlage dieses Verfahrens durchgeführt werden, um einen breiteren Bereich der Längenskala zu umfassen, und weiter wird die Selbstheilung von Rissen im Asphalt auf verschiedenen Skalen gebracht. Diese Technik kann die molekulare Struktur von Nanofüllstoffen mit speziellem Design überwachen und optimieren, wie Defekte, Photostruktur und funktionelle Gruppen zur fortgeschrittenen Verbesserung von Nano-Verbundwerkstoffen auf Asphaltbasis.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Synthese und Funktionalisierung von 3D-Graphen-Nano Materialien: Graphene Aerogele und Graphene Macro Assemblies

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

Forschung

Ingenieurwesen

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

Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

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

Herstellung von ZnO-Nanostäbchen / Graphene / ZnO-Nanostäbchen Epitaxial Doppelheterostruktur für Piezoelektrische Nanogenerator mithilfe Vorwärmen Hydrothermale

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

Dehnungsmess Basierend auf Multiskalige Composite Materials Verstärkt durch Graphene Nanoplättchen

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

Scannen SQUID-Studie von Vortex Manipulation durch Kontakt vor Ort

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

Experimentelles Protokoll den Chlorid-Schwellenwert für Korrosion in Proben aus Stahlbeton Strukturen bestimmen

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

Atmosphärendruck-Herstellung von großformatigen Einzellagen-rechteckige SnSe Flocken

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

Eine effiziente Methode zur selektiven Entsalzung von radioaktivem Jod Anionen mit Gold-Nanopartikel eingebettet 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

Multiskalen Strukturen aggregiert nach aufgedruckten Nanofasern für funktionale Oberflächen

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

Vorbereitung des Graphen Flüssigkeit Zellen für die Beobachtung von Lithium-Ionen-Batterie Material

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