Name: advanced self-healing asphalt reinforced by graphene structures: an atomistic insight
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00
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Gli autori sono grati per il sostegno della City University of Hong Kong Strategic Research Grant con il Progetto n. 7005547, il sostegno del Research Grants Council (RGC) della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong, Cina, con il Progetto No. R5007-18 e il supporto del Comitato per l'innovazione scientifica e tecnologica di Shenzhen nell'ambito della sovvenzione JCYJ20170818103206501.

1. Costruisci i modelli atomistici
<ol><li>Aprire il software Materials Studio per creare cinque documenti atomistici 3D e rinominare questi documenti rispettivamente come grafene, asfaltene, aromatici polari, nafteni aromatici e saturi.</li>
	<li>Compilate il modello di grafene creando la cella unitaria del foglio di grafene nel documento atomistico 3D utilizzando l'opzione Sketch Atom .</li>
	<li>Costruite la struttura finale utilizzando l'opzione Supercell (Supercell) del menu <stro...

I passaggi critici all'interno della parte protocollo sono i seguenti: fase 1.4 - Costruire e imballare i quattro tipi di molecole di asfalto; passo 1.5 - Costruire la struttura dell'asfalto con la fessura; passo 2.3 - Raggiungere l'equilibrio; passo 2.4 - Eseguire il processo di auto-guarigione. Questi passaggi indicano i contenuti più coesi e importanti del protocollo. Per creare le forme desiderate della fessura inserita, il processo di imballaggio viene modificato rispetto al normale imballaggio in Materials Studio....

<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

Il grafene può migliorare le proprietà di auto-guarigione dell'asfalto con un'elevata durata. Tuttavia, i comportamenti di auto-guarigione del nanocomposito di asfalto modificato con grafene e il ruolo del grafene incorporato non sono ancora chiari in questa fase. In questo studio, le proprietà di auto-guarigione dell'asfalto puro e dell'asfalto modificato con grafene sono studiate attraverso simulazioni di dinamica molecolare. Vengono introdotte le rinfuse di asfalto con due larghezze di fessura e posizioni per il grafene e vengono analizzate le interazioni molecolari tra i componenti dell'asfalto e il foglio di grafene. I risultati mostrano che la posizione del grafene influisce in modo significativo sui comportamenti di auto-guarigione dell'asfalto. Il grafene vicino alla superficie della fessura può accelerare notevolmente il processo di auto-guarigione interagendo con le molecole aromatiche attraverso l'impilamento π-π, mentre il grafene nella zona superiore della punta della fessura ha un impatto minore sul processo. Il processo di auto-guarigione dell'asfalto passa attraverso il riorientamento delle molecole aromatiche di asfaltene, aromatiche polari e naftene e il ponte di molecole sature tra le superfici delle fessure. Questa comprensione approfondita del meccanismo di auto-guarigione contribuisce alla conoscenza del miglioramento delle proprietà di auto-guarigione, che aiuterà a sviluppare pavimentazioni in asfalto durevoli.

Il contorno del numero di atomi I contorni del numero di atomi dei modelli di asfalto puro e asfalto modificato con grafene nel piano yz sono mostrati nella Figura 3, dove la barra dei colori dal blu al rosso mostra numeri di atomi che variano da 0 a 28. La figura 3a-c illustra il contorno del numero di atomi delle strutture con larghezza di fessura di 15 Å in nanocompositi di asfalto puro e asfalto modifica...

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

Il nanocomposito di asfalto modificato con grafene ha mostrato una capacità avanzata di auto-guarigione rispetto all'asfalto puro. In questo protocollo, sono state applicate simulazioni di dinamica molecolare al fine di comprendere il ruolo del grafene nel processo di auto-guarigione e di esplorare il meccanismo di auto-guarigione dei componenti dell'asfalto dal livello atomistico.

Asfalto auto-riparante avanzato rinforzato da strutture di grafene: un'intuizione atomistica

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

Questo metodo può aiutare a rispondere alle intere crepe che si auto-guariscono nei nano compositi basati sull'asfalto e su come la grafite può migliorare la capacità degli asfalti. Questa tecnica può analizzare i comportamenti materiali che non possono essere valutati facilmente dagli esperimenti e può fornire le informazioni sottostanti sul meccanismo di auto-guarigione a livello atomistico. Questo metodo potrebbe fornire approfondimenti sulla fisica fondamentale dell'evoluzione dinamica in vari sistemi materiali, compresi i sistemi inorganici inorgi e le relative interfacce, o anche guardare alle elettromolecole.Se non si ha familiarità con questa tecnica, si dovrebbe comprendere la teoria di base delle simulazioni dinamiche molecolari e capire il significato di base di ciascun comando prima di eseguire qualsiasi simulazione. Per iniziare ad aprire il software material studio, quindi creare un documento atomistico tridimensionale per la grafina e costruire il modello di grafina utilizzando l'opzione sketch atom. Dopo aver importato il file MSI del punto di grafite in material studio, nel menu build sotto simmetria, costruisci la struttura finale usando l'opzione super cella.Definire la dimensione del foglio di grafina come 40 per 40 angstrom, che è più grande delle catene di asfalto nella larghezza della fessura. Successivamente, per costruire e imballare i quattro tipi di molecole di asfalto, creare separatamente i documenti atomistici tridimensionali per asfaltene, aromatici polari, aromatici di naftene e saturi. Quindi, utilizzando l'opzione sketch atom, disegna le strutture molecolari di queste molecole.Successivamente, utilizzando l'opzione di calcolo dal menu della cella amorfa sotto i moduli, imballare questi quattro tipi di molecole di asfalto nella scatola di simulazione. Quindi, per costruire la struttura dell'asfalto con la fessura, impostare l'altezza della zona di fessura nella dimensione X, uguale all'altezza della scatola di 70 angstrom, e impostare la profondità della zona di fessura nella dimensione Y a metà dell'altezza della scatola come 35 angstrom. Impostare due casi delle larghezze di fessura nella dimensione Z di 15 e 35 angstrom.Quindi, utilizzando l'opzione di eliminazione, eliminare le molecole ridondanti nelle zone di fessura dell'area centrale verso il basso dell'asfalto sfuso e mantenere invariata la matrice di asfalto nell'area centrale verso l'alto. Per raggiungere l'equilibrio, posizionare l'intera scatola di simulazione completamente rilassata dopo 500 picosecondi sotto l'insieme isotermico isotermico con una temperatura di 300 Kelvin in pressione di 1 atmosfera. Quindi, utilizzando il comando termico, equilibrare la massa di asfalto al valore di densità desiderato delle misurazioni sperimentali esaminando continuamente i valori di temperatura, pressione, densità ed energia.Controllare la convergenza dell'energia potenziale nello spostamento quadrato medio nell'intero sistema per raggiungere lo stato completamente rilassato. Successivamente, per eseguire il processo di auto-guarigione, impostare l'intera scatola di simulazione sotto l'insieme isotermico isotermico con una temperatura di 300 Kelvin e una pressione di 1 atmosfera. Quindi, rimuovere il vincolo delle molecole di asfalto sul contorno della zona di fessura.Traccia e registra le dimensioni della scatola di simulazione nelle coordinate degli atomi. Quindi, utilizzare il comando dump per la post-elaborazione. Infine, media i risultati della simulazione durante il processo di auto-guarigione su 3 configurazioni indipendenti con 3 diversi semi di velocità iniziale per ridurre gli errori casuali.Per visualizzare i comportamenti di auto-guarigione e l'avanzamento della simulazione, aprire lo strumento di visualizzazione aperto OVITO, quindi aprire i file di traiettoria nel formato LAMMPS TRJ generato da LAMMPS. Registra le istantanee del processo di auto-guarigione, quindi, utilizzando il comando render, traccia i percorsi delle molecole di asfalto. Successivamente, per analizzare il contorno del numero di atomi, esportare le coordinate degli atomi dai file di traiettoria al software di analisi dei dati e grafico.Proietta le coordinate degli atomi nell'intero sistema sul piano YZ, quindi registra i numeri degli atomi in diverse aree del piano YZ e traccia il contorno con colori diversi. Successivamente, analizzare la mobilità atomica di diversi componenti dell'asfalto calcolando lo spostamento quadrato medio utilizzando il comando compute MSD. Quindi, utilizzando il comando di calcolo RDF e LAMMPS, calcolare le posizioni relative tra le molecole di grafina e asfalto dal fattore di distribuzione radiale, o curve RDF, per i sistemi di asfalto modificati grafici con le larghezze di fessura di angstrom 15 e 35.Infine, disegna le curve RDF per verificare come varia la densità dell'asfalto in funzione della distanza dal foglio di grafina. Per l'asfalto puro, la completa autoguarigione avviene dopo 300 picosecondi. La zona di crack diminuisce bruscamente a 50, quasi scompare a 200 picosecondi.L'inserimento della grafina a sinistra della superficie della fessura può accelerare significativamente il processo di auto-guarigione. Il periodo di guarigione si accorcia a 200 picosecondi, con la larghezza della fessura che diminuisce significativamente a 20 e quasi scompare a circa 150 picosecondi. I comportamenti di auto-guarigione sono migliorati significativamente quando il foglio di grafina si trova sulla superficie sinistra della fessura.Quando la grafina viene posizionata sulla superficie sinistra della fessura, la mobilità degli aromatici polari, degli aromatici del naftene e della grafina migliora significativamente rispetto a quella dell'asfalto puro. I valori di CDR tra la grafina sulla superficie sinistra della fessura nei componenti dell'asfalto per il modello di larghezza della fessura di 15 angstrom mostrano che le molecole aromatiche e l'asfalto si avvicinano al foglio di grafina, in particolare le molecole aromatiche polari e le molecole aromatiche di naftene. Dove i valori di RDF del modello di larghezza della fessura di 35 angstrom oltre i 4 angstrom sono più evidenti di quelli del modello di larghezza della fessura di 15 angstrom perché l'asfaltite ha più spazio per diffondersi e spostarsi verso la grafina nella zona di fessura più grande.È molto importante impostare una fessura ragionevole nel modello di asfalto, assicurando al contempo che una fessura sia ben tenuta e che il sistema sia completamente bilanciato. La modellazione del grano dei costi può essere eseguita sulla base di questa procedura per abbracciare una gamma più ampia di scala di lunghezza, e inoltre viene portata, l'autoguarigione della fessura nell'asfalto a diverse scale. Questa tecnica può monitorare e ottimizzare la struttura molecolare dei nano filler con un design speciale, come difetti, fotostruttura e gruppi funzionali per il miglioramento avanzato dei nano compositi a base di asfalto.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Sintesi e funzionalizzazione di 3D Materials Nano-grafene: grafene Aerogels e grafene Assemblee Macro

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