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

המחברים אסירי תודה על התמיכה ממענק המחקר האסטרטגי של אוניברסיטת סיטי של הונג קונג עם פרויקט מס '7005547, התמיכה של מועצת מענקי המחקר (RGC) של האזור המנהלי המיוחד של הונג קונג, סין, עם פרויקט מס '. R5007-18, ותמיכת ועדת החדשנות למדע וטכנולוגיה של שנזן תחת המענק JCYJ20170818103206501.

1. בנו את המודלים האטומיסטיים
<ol><li>פתח את תוכנת Materials Studio כדי ליצור חמישה מסמכים אטומיסטיים תלת-ממדיים ושנה את שמם של מסמכים אלה לגרפן, אספלטן, ארומטיים קוטביים, ארומטיים נפטנים ורוויות, בהתאמה.</li>
	<li>בנה את מודל הגרפן על-ידי יצירת תא היחידה של יריעת הגרפן במסמך האטומיסטי התלת-ממדי ...

השלבים הקריטיים בחלק הפרוטוקול הם כדלקמן: שלב 1.4 - בנה וארוז את ארבעת סוגי מולקולות האספלט; שלב 1.5 - לבנות את מבנה האספלט עם הסדק; שלב 2.3 - להשיג את שיווי המשקל; שלב 2.4 - בצע את תהליך הריפוי העצמי. שלבים אלה מצביעים על התוכן המגובש והחשוב ביותר של הפרוטוקול. כדי ליצור את הצורות הרצויות של הסדק שהו?...

<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

גרפן יכול לשפר את תכונות הריפוי העצמי של אספלט עם עמידות גבוהה. עם זאת, התנהגויות הריפוי העצמי של ננו-קומפוזיט אספלט שעבר שינוי גרפן ותפקידו של גרפן משולב עדיין אינן ברורות בשלב זה. במחקר זה, תכונות הריפוי העצמי של אספלט טהור ואספלט שעבר שינוי גרפן נחקרות באמצעות סימולציות של דינמיקה מולקולרית. תפזורות אספלט עם שני רוחבי סדקים ומיקומים לגרפן מוצגות, ומנותחות האינטראקציות המולקולריות בין רכיבי האספלט לבין יריעת הגרפן. התוצאות מראות כי המיקום של גרפן משפיע באופן משמעותי על התנהגויות הריפוי העצמי של אספלט. גרפן ליד משטח הסדק יכול להאיץ מאוד את תהליך הריפוי העצמי על ידי אינטראקציה עם המולקולות הארומטיות באמצעות ערימה π π, בעוד שלגרפן באזור העליון של קצה הסדק יש השפעה קלה על התהליך. תהליך הריפוי העצמי של האספלט עובר דרך כיוון מחדש של אספלטן, מולקולות ארומטיות קוטביות ונפתן ארומטיות, וגישור של מולקולות רוויות בין משטחי סדקים. הבנה מעמיקה זו של מנגנון הריפוי העצמי תורמת לידע של שיפור תכונות הריפוי העצמי, אשר יסייעו לפתח מדרכות אספלט עמידות.

קווי המתאר של מספר האטום קווי המתאר של מספר האטום של מודלי אספלט טהור ואספלט שעברו שינוי גרפן במישור yz מוצגים באיור 3, שם סרגל הצבעים מכחול לאדום מציג מספרי אטום הנעים בין 0 ל-28. איור 3a-c ממחיש את קווי המתאר של מספר האטום של המבנים ?...

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

ננו-קומפוזיט אספלט שעבר שינוי בגרפן הראה יכולת ריפוי עצמי מתקדמת בהשוואה לאספלט טהור. בפרוטוקול זה יושמו סימולציות של דינמיקה מולקולרית על מנת להבין את תפקידו של הגרפן בתהליך הריפוי העצמי ולחקור את מנגנון הריפוי העצמי של מרכיבי האספלט מהרמה האטומית.

אספלט מתקדם לריפוי עצמי מחוזק על ידי מבני גרפן: תובנה אטומיסטית

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

שיטה זו יכולה לעזור לענות על ריפוי עצמי של סדקים שלמים באספלט המבוסס על הננו-מרוכבים, וכיצד גרפיט יכול לשפר את יכולת האספלט. טכניקה זו יכולה לנתח התנהגויות חומריות שלא ניתן להעריך בקלות על ידי ניסויים, ויכולה לספק את המידע הבסיסי על מנגנון הריפוי העצמי ברמה האטומית. שיטה זו יכולה לספק תובנות על הפיזיקה הבסיסית של האבולוציה הדינמית במערכות חומרים שונות, כולל מערכות אי-אורגניות-אנאורגיות וממשקים קשורים, או אפילו להביט במולקולות אלקטרו.אם אינכם מכירים את הטכניקה הזו, יש להבין את התיאוריה הבסיסית של סימולציות דינמיות של מולקולות ולהבין את המשמעות הבסיסית של כל פקודה לפני ביצוע סימולציות כלשהן. כדי להתחיל לפתוח את תוכנת סטודיו החומר, ולאחר מכן ליצור מסמך אטומיסטי תלת מימדי עבור גרפין ולבנות את מודל הגרפין באמצעות אפשרות אטום סקיצה. לאחר ייבוא קובץ ה-MSI של נקודת הגרפיט לתוך סטודיו החומר, בתפריט הבנייה תחת סימטריה, בנו את המבנה הסופי באמצעות אפשרות תא העל.הגדר את גודל יריעת הגרפין כ- 40 על 40 אנגסטרומים, שהוא גדול יותר משרשראות האספלט ברוחב הסדק. לאחר מכן, כדי לבנות ולארוז את ארבעת סוגי מולקולות האספלט, ליצור את המסמכים האטומיסטיים התלת-ממדיים לאספלטן, ארומטיים קוטביים, ארומטיות נאפתן ורוויות בנפרד. לאחר מכן, באמצעות אפשרות אטום השרטוט, ציירו את המבנים המולקולריים של מולקולות אלה.לאחר מכן, באמצעות אפשרות החישוב מתפריט התאים האמורפיים תחת מודולים, ארזו את ארבעת הסוגים האלה של מולקולות אספלט לתוך תיבת הסימולציה. לאחר מכן, כדי לבנות את מבנה האספלט עם הסדק, קבעו את גובה אזור הסדק בממד X, זהה לגובה התיבה של 70 אנגסטרומים, וקבעו את עומק אזור הסדק בממד Y למחצית מגובה התיבה כ-35 אנגסטרומים. הגדר שני מקרים של רוחב הסדק בממד Z של 15 ו -35 אנגסטרומים.לאחר מכן, באמצעות אפשרות המחיקה, מחקו את המולקולות המיותרות באזורי הסדקים של האזור האמצעי למטה של תפזורת האספלט, ושמרו על מטריצת האספלט באזור האמצעי למעלה ללא שינוי. כדי להשיג שיווי משקל, מקם את כל תיבת הסימולציה רגועה לחלוטין לאחר 500 פיקו-שניות מתחת להרכב האיזוברי האיזותרמי עם טמפרטורה של 300 קלווין בלחץ של אטמוספירה אחת. לאחר מכן, באמצעות הפקודה התרמית, לאזן את נפח האספלט לערך הצפיפות הרצוי של המדידות הניסוייות על ידי בחינה רציפה של ערכי הטמפרטורה, הלחץ, הצפיפות והאנרגיה.בדוק את ההתכנסות של אנרגיה פוטנציאלית בתזוזה הריבועית הממוצעת במערכת כולה להשגת המצב הרגוע לחלוטין. לאחר מכן, כדי לבצע את תהליך הריפוי העצמי, הגדר את כל תיבת הסימולציה מתחת להרכב האיזוברי האיזותרמי עם טמפרטורה של 300 קלווין ולחץ של אטמוספירה אחת. לאחר מכן, הסר את האילוץ של מולקולות האספלט על קווי המתאר של אזור הסדק.עקוב ותעד את גודל תיבת הסימולציה בקואורדינטות של האטומים. לאחר מכן, השתמש בפקודת dump לעיבוד פוסט. לבסוף, ממוצע תוצאות הסימולציה במהלך תהליך הריפוי העצמי על פני 3 תצורות עצמאיות עם 3 זרעי מהירות ראשונית שונים כדי להפחית את השגיאות האקראיות.להדמיה של התנהגויות הריפוי העצמי והתקדמות הסימולציה, פתחו את כלי ההדמיה הפתוח OVITO", ואז פתחו את קבצי המסלול בפורמט LAMMPS TRJ שנוצר על ידי LAMMPS. תעד את התמונות של תהליך הריפוי העצמי, ולאחר מכן, באמצעות פקודת הרינדור, עקוב אחר הנתיבים של מולקולות האספלט. לאחר מכן, כדי לנתח את קווי המתאר של מספר האטום, ייצא את הקואורדינטות של האטומים מקבצי המסלול לתוכנת ניתוח הנתונים והגרפים.הקרין את הקואורדינטות של האטומים במערכת כולה על מישור YZ, ולאחר מכן רשם מספרי אטומים באזורים שונים של מישור YZ והתווה את קווי המתאר בצבעים שונים. לאחר מכן, נתח את ניידות האטום של רכיבי אספלט שונים על ידי חישוב התזוזה הממוצעת בריבוע באמצעות פקודת MSD החישוב. לאחר מכן, באמצעות הפקודה compute RDF ו-LAMMPS, חישבו את המיקומים היחסיים בין מולקולות הגרפין והאספלט על ידי גורם ההתפלגות הרדיאלית, או עקומות ה-RDF, עבור מערכות האספלט שהשתנו בגרפים עם רוחבי סדקים של 15 ו-35 אנגסטרום.לבסוף, צייר את עקומות ה-RDF כדי לבדוק כיצד צפיפות האספלט משתנה כפונקציה של מרחק מיריעת הגרפין. עבור אספלט טהור, ריפוי עצמי מלא מתרחש לאחר 300 picoseconds. אזור הסדקים יורד בחדות ב-50, כמעט נעלם ב-200 פיקו-שניות.החדרת הגרפין בצד שמאל של משטח הסדק יכולה להאיץ באופן משמעותי את תהליך הריפוי העצמי. תקופת הריפוי מתקצרת ל-200 פיקו-שניות, כאשר רוחב הסדקים יורד משמעותית ועומד על 20, וכמעט נעלם בסביבות 150 פיקו-שניות. התנהגויות הריפוי העצמי השתפרו באופן משמעותי כאשר יריעת הגרפין נמצאת במשטח הסדק השמאלי.כאשר גרפין ממוקם על משטח הסדק השמאלי, הניידות של ארומטיים קוטביים, ארומטיות נאפתן וגרפין השתפרה משמעותית בהשוואה לזו של אספלט טהור. ערכי RDF בין גרפין במשטח הסדק השמאלי ברכיבי האספלט עבור מודל רוחב הסדק של 15 אנגסטרום מראים כי המולקולות הארומטיות והאספלט מתקרבות אל יריעת הגרפין, במיוחד המולקולות הארומטיות הקוטביות והמולקולות הארומטיות של נאפתן. כאשר מודל רוחב הסדק של 35 אנגסטרום RDF ערכים מעבר ל-4 אנגסטרומים ברורים יותר מאלו של מודל רוחב הסדק של 15 אנגסטרום מכיוון שלאספלטיט יש יותר מקום להתפזר ולנוע לכיוון הגרפין באזור הסדקים הגדול יותר.חשוב מאוד להגדיר סדק סביר במודל האספלט תוך הקפדה על כך שסדק נשמר היטב והמערכת מאוזנת לחלוטין. ניתן לבצע מידול גרגרי עלות על סמך הליך זה כדי לאמץ טווח רחב יותר של סולם אורך, ובנוסף, את הריפוי העצמי של סדק באספלט בקני מידה שונים. טכניקה זו יכולה לנטר ולמטב את המבנה המולקולרי של חומרי מילוי ננו עם תכנון מיוחד, כגון פגמים, מבנה צילום וקבוצות פונקציונליות לשיפור מתקדם של ננו-חומרים מרוכבים מבוססי אספלט.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

סינתזה וFunctionalization של חומרים ננו-גרפן 3D: הרכבות מאקרו Aerogels גראפן וגראפן

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

שילוב של אור ננו-מבני כסף השמנה בתאים סולריים המוקשה Microcrystalline הסיליקון ידי העברת הדפסה

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

הכנת ZnO nanorod / גראפן / ZnO nanorod Epitaxial זוגי Heterostructure לPiezoelectrical Nanogenerator על ידי השימוש בPreheating הידרותרמיות

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

חישה מבוססת עומס על מחוזק חומרים מרוכבים Multiscale עם גראפן 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

סריקת לימוד SQUID של מניפולציה וורטקס ידי לתקשר מקומי

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

נסיוני כדי לקבוע את ערך הסף כלוריד עבור קורוזיה בדגימות שנלקחו מבני בטון מזוין

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

לחץ אטמוספירי ייצור של פתיתי בשכבה יחידה מדוד גדול מלבני SnSe

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

שיטה יעילה לצורך התפלה סלקטיבי של יוד רדיואקטיבי אניונים באמצעות זהב חלקיקים-מוטבע ממברנה מסנן

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

מבנים multiscale המצטברים על-ידי Nanofibers המוטבע על תפקודי משטחים

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

הכנה של גראפן נוזלי תאים התצפית של חומר סוללת ליתיום-יון

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