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

Yazarlar, Hong Kong Şehir Üniversitesi Stratejik Araştırma Hibesi'nin Proje No. 7005547, Hong Kong Özel İdari Bölgesi, Çin'in Araştırma Hibeleri Konseyi'nin (RGC) Proje No'lu desteği için minnettardır. R5007-18 ve Shenzhen Bilim ve Teknoloji İnovasyon Komitesi'nden JCYJ20170818103206501 hibesi kapsamında destek.

1. Atomistik modeller oluşturun
<ol><li>Beş adet 3B atomistik belge oluşturmak için Materials Studio yazılımını açın ve bu belgeleri sırasıyla grafen, asfalten, polar aromatikler, naften aromatikleri ve doygunluklar olarak yeniden adlandırın.</li>
	<li>Sketch Atom seçeneğini kullanarak 3B atomistik belgede grafen yaprağının birim hücresini oluşturarak grafen modelini oluşturun.</li>
	<li>Yapı > Simetri menüsündeki Supercell seçeneğini kullana...

Protokol bölümündeki kritik adımlar aşağıdaki gibidir: adım 1.4 - Dört tip asfalt molekülünü oluşturun ve paketleyin; adım 1.5 - Asfalt yapısını çatlak ile inşa edin; adım 2.3 - Dengeyi sağlamak; adım 2.4 - Kendi kendini iyileştirme işlemini gerçekleştirin. Bu adımlar, protokolün en uyumlu ve önemli içeriğini gösterir. Eklenen çatlağın istenen şekillerini oluşturmak için, paketleme işlemi Materials Studio'daki normal ambalajlamaya kıyasla değiştirilir. Çatlak şekli simülasyon ...

Günlük araç yüklemeleri ve değişken çevre koşulları altında bozulma ve servis sırasında asfaltın yaşlanması, asfalt kaplamaların dayanıklılığını daha da zayıflatabilecek bozulma ve hatta yapısal arızalara, yani çatlama ve yıpranmaya neden olur. Asfaltın mikro çatlakları ve boşlukları onarmak için doğal tepkisi, hasarlardan otomatik olarak kurtulmasına ve mukavemeti geri kazanmasına yardımcı olur1. Bu kendi kendini iyileştirme özelliği, asfaltın hizmet ömrünü önemli ölçüde uzatabilir, bakım maliyetlerinden tasarruf sağlayabilir ve sera gazı emisyonunu azaltabilir 2,3. Asfaltın kendi kendini iyileştirme davranışı genellikle kimyasal bileşimi, hasar derecesi ve çevresel koşullar dahil olmak üzere çeşitli etkileyen faktörlere bağlıdır4. Asfaltın hasarı kısa sürede tamamen iyileştirebilecek gelişmiş kendi kendini iyileştirme kabiliyeti istenmektedir; Bu, inşaat mühendisliğindeki asfalt kaplamalar için daha iyi mekanik performans ve dayanıklılık konusunda kapsamlı bir araştırma ilgisi çekmiştir.
Asfaltın kendi kendini iyileştirme yeteneğini geliştirmek için yeni yöntemler temel olarak üç yaklaşımı içerir - ısıtmayı indükleme, kapsülleme iyileştirme ve nanomalzemelerin dahil edilmesi - tek tek veya aynı anda uygulanabilir5,6. Isıtmayı indüklemek, asfaltın hareketliliğini önemli ölçüde artırabilir ve iyileşme için kendi kendini iyileştirmesini etkinleştirebilir.7. Isıtmayı indükleyerek asfaltın kendi kendini iyileştirme teknolojisi, asfaltın kendi kendini iyileştirme özelliklerinin dış uyaranlarla iyileştirildiğini gösteren yardımlı kendi kendini iyileştirme tekniğine atfedilebilir. Çelik yünü liflerinin eklenmesinin amacı, asfalt bağlayıcının iyileşme kapasitesini artırmak için elektriksel iletkenliği arttırmaktır.8. Isıyı indükleme yaklaşımı, bu elektriksel olarak iletken lifleri, girdap akımlarını indükleyebilen yüksek frekanslı alternatif elektromanyetik alana maruz bırakmaktır ve ısı enerjisi, iletken lifler tarafından asfalt bağlayıcısına yayılabilir.9. Çelik yünü lifleri sadece elektriksel iletkenliği değil, aynı zamanda termal iletkenliği de arttırır, her ikisi de asfaltın kendi kendini iyileştirme özelliklerini olumlu yönde etkileyebilir. Bununla birlikte, lifler için uygun karıştırma süresini seçmek zordur.10. Elyafların uzunluğu, artan karıştırma süresi ile azalır ve termal iletkenliği etkilerken, azalan karıştırma süresi lif kümelerine yol açar ve asfaltın mekanik özelliklerini engeller.9. Kapsülleme yöntemi, aromatikler ve doygunluklar gibi yaşlı asfaltın hafif bileşenlerini tedarik edebilir ve asfaltın kendi kendini iyileştirme yeteneğini yenileyebilir.11,12. Bununla birlikte, bu sadece bir kez yapılan bir tedavidir ve iyileştirici materyaller serbest bırakıldıktan sonra yenilenemez. Nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte, nanomalzemeler asfalt bazlı malzemelerin geliştirilmesi için umut verici değiştiriciler haline gelmiştir. Nanomalzemelerle birleştirilmiş asfalt bağlayıcılar daha iyi termal iletkenlik ve mekanik özellikler sunar13. Mükemmel mekanik performansa ve yüksek termal performansa sahip grafen, asfaltın kendi kendini iyileştirme yeteneğini geliştirmek için mükemmel bir aday olarak kabul edilir.14,15,16,17. Grafen modifiye asfaltın artan iyileştirici özellikleri, grafenin asfalt bağlayıcının ısıtılma kapasitesini arttırması ve asfalt bağlayıcı içinde ısı transferi üretmesi gerçeğine bağlanabilir; bu, grafen modifiye asfaltın daha hızlı ısıtılabileceği ve saf asfalttan daha yüksek sıcaklığa ulaşabileceği anlamına gelir.18. Üretilen ısı, grafen modifiye asfalt boyunca, saf asfalttan daha hızlı bir şekilde aktarılabilir. Asfalt bağlayıcının çatlak bölgesi, daha yüksek sıcaklık ve daha yüksek ısıtma kapasitesine sahip ısı akışından kolayca etkilenebilir ve daha hızlı iyileşebilir. Kendi kendini iyileştirme reaksiyonu, iyileşme aktivasyon enerjisine eşit veya daha büyük olan enerji asfaltın çatlak yüzeyinde mevcutsa başlayacaktır.19. Grafen, termal aktivasyon iyileşme performansını artırabilir ve asfaltın iyileşme oranını hızlandırabilir19,20. Ayrıca, grafen, iyileşme sürecinde% 50'ye kadar ısıtma enerjisi tasarrufu sağlayabilir, bu da enerji verimliliğine fayda sağlayabilir ve bakım maliyetlerini azaltabilir.21. Mikrodalga emici bir malzeme olarak, grafenin mikrodalga ısıtmanın dinlenme döneminde asfaltın iyileşme yeteneğini arttırdığı bildirilmiştir.22. Asfalta grafen ilavesinin sadece mekanik performansı değil, aynı zamanda kendi kendini iyileştirme mekanizması hakkında derinlemesine bilgi gerektiren kendi kendini iyileştirme ve enerji tasarrufu kapasitesini de artırması beklenmektedir.
Nano ölçekte kendi kendini iyileştirme, esas olarak kırık yüzlerde asfalt moleküllerinin ıslanması ve difüzyonundankaynaklanmaktadır 23. Asfalt çeşitli polar ve polar olmayan moleküllerden oluştuğundan, kendi kendini iyileştirme kabiliyeti, farklı bileşenlere sahip asfalt moleküllerinin moleküler etkileşimleri ve hareketleri ile güçlü bir şekildeilişkilidir 1. Bununla birlikte, mevcut araştırmalar esas olarak makroskopik mekanik özellikleri ölçmek için deneysel tekniklere dayanmaktadır, bu da mikroyapıların değişiminde ve iyileşme mekanizmasını anlamaya çalışırken asfalt molekülleri arasındaki etkileşimlerde eksik bilgiye neden olmaktadır. Asfaltın kendi kendini iyileştirme kabiliyetindeki grafenin takviye mekanizması da bu aşamada belirsizdir. Moleküler dinamik (MD) simülasyonları, nanokompozit sistemlerin moleküler etkileşimlerini ve hareketlerini araştırmada etkili bir rol oynar ve mikroyapısal deformasyonu moleküler etkileşimler ve hareketlerle ilişkilendirir 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD simülasyonları, deneylerle kolayca erişilemeyen malzeme davranışlarını analiz etmek için giderek daha popüler hale gelmiştir32,33. Mevcut çalışmalar, asfalt sistemlerinde MD simülasyonlarının fizibilitesini ve kullanılabilirliğini göstermiştir; asfalt ve asfalt kompozitlerinin yapışma, yapışma, yaşlanma ve termomekanik özellikleri MD simülasyonları 34,35,36,37 ile incelenebilir. Asfaltın kendi kendini iyileştirme davranışları MD simülasyonları 38,39,40 ile de tahmin edilebilir. Bu nedenle, MD simülasyonları kullanılarak yapılan araştırmanın hem kendi kendini iyileştirme hem de güçlendirme mekanizmalarını anlamanın etkili bir yolu olduğuna inanılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, saf asfalt ve grafen modifiye asfalt nanokompozitlerinin kendi kendini iyileştirme davranışlarını araştırmak ve MD simülasyonları yoluyla asfaltın iyileşme kapasitesini arttırmada grafenin rolünü anlamaktır. Saf asfalt ve grafen modifiye asfalt kompozitlerinin kendi kendini iyileştiren simülasyonları, ilk yapılara çatlaklar eklenerek gerçekleştirilir. Kendi kendini iyileştirme yetenekleri, atom sayılarının konturu, kırık yüzdeki moleküllerin yeniden yönlendirilmesi ve dolaşıklığı ve kendi kendini iyileştirme süreçleri sırasında asfalt bileşenlerinin hareketliliği ile karakterize edilir. Grafenin farklı bölgelerdeki iyileştirici etkinliği araştırılarak, asfaltın kendi kendini iyileştirme yeteneklerine katkıda bulunan grafenin takviye mekanizması ortaya çıkarılmıştır, bu da nanodolgu maddelerinin en uygun şekilde izlenmesine yardımcı olabilir ve böylece asfalt kaplamaların ömrünü uzatabilir. Atomistik ölçekte kendi kendini iyileştirme kapasitesinin araştırılması, gelecekteki araştırmalar için gelişmiş asfalt bazlı malzemeler geliştirmek için etkili bir yol sağlayabilir.
Asfalt kimyasına göre, asfalt, esas olarak asfaltan, polar aromatikler, naften aromatiklerinin dört bileşenine ayrılabilen ve41,42'yi doyuran farklı polarite ve şekillere sahip çeşitli hidrokarbon türleri ve hidrokarbon olmayanlardan oluşur. Asfalt molekülleri, asfalttaki diğer moleküllerden nispeten daha büyük ve ağırdır, ortalama atom kütlesi kabaca 750 g / mol ve moleküler çapı 10-20 şaralığındadır. Asfaltenin heteroatom içeren büyük aromatik çekirdeklerden oluştuğu ve farklı uzunluklarda alkil grupları ile çevrili olduğu yaygın olarak kabul edilmiştir43. Şekil 1a'da gösterildiği gibi modifiye edilmiş bir asfalt molekülü oluşturulmuştur. Polar aromatiklerin ve naften aromatiklerinin molekülleri, asfalt moleküllerinin polaritesine ve element oranına göre inşa edilir; polar aromatik molekülü temsil eden benzobisbenzotiyofen (C18H 10 S2) ve Şekil 1b-c'de gösterildiği gibi temsili naftilen aromatik molekül olarak seçilen 1,7-dimetilnaftalin(C 12 H 12). N-docosane (n-C 22H46) Şekil 1d'de gösterildiği gibi inşa edilmiştir. Asfalt molekülleri için Tablo 1'de listelenen parametreler,deneylerden 41 deneylerinden elde edilen gerçek asfaltın elementel kütle fraksiyonu, atom oranı ve aromatik / alifatik oranı dahil olmak üzere istenen kriterleri karşılamak üzere seçilir ve kullanılır. Önceki çalışmalarımızda da aynı kütle oranı tanımlanmıştır ve yoğunluk, cam geçiş sıcaklığı ve viskozite gibi diğer termomekanik özellikler gerçek asfalt36'nın deneysel verileriyle iyi bir uyum içindedir. Bu çalışmada uygulanan grafenin moleküler yapısı Şekil 1e'de gösterilmiştir. Bu çalışmada benimsenen grafen levhanın gerçek vakaya kıyasla hiçbir kusuru ve kıvrımı yoktur, oysa gerçek grafen levha genellikle atomik boşluklar ve Taş-Galler kusurları44 gibi çeşitli kusurlara sahiptir ve grafen tabakalarının bir kısmı asfalt matrisi45'teki karıştırma işlemi sırasında katlanabilir. Bu kusurlu durumlar bu çalışmada dikkate alınmamıştır, çünkü grafen tabakasının bölgesinin kendi kendini iyileştirme özellikleri üzerindeki etkisine odaklanıyoruz ve onu tek değişken olarak seçiyoruz. Grafen tabakaların kusurlar ve katlanmış vakalar açısından değişkenleri gelecekteki çalışmalarımızın odak noktası olacaktır. Bu çalışmada grafenin asfalta kütle oranı %4,75 olup, deneyde grafen modifiye asfalt için normal durum (%<5)46,47'dir.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig01.jpg"> Resim 1: Kimyasal yapı. (a) asfalt molekülü (C53H55NOS), (b) naften aromatik molekülü (C 12 H12), (c) polar aromatik molekül (C18H10S2), (d) doygunluk molekülü (C22H46), (e) grafen ve (f)saf asfaltın atomistik modelleri. Atomistik asfalt modeli için karbon, oksijen, azot, kükürt ve hidrojen atomları sırasıyla gri, kırmızı, mavi, sarı ve beyaz olarak gösterilir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig01large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Asfalt modeli</td>
			<td>Kütle (g/mol)</td>
			<td>Kimyasal formül</td>
			<td>Molekül sayıları</td>
			<td>Toplam kütle (g/mol)</td>
			<td>Kütle fraksiyonu (%)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalten</td>
			<td>754.04</td>
			<td>C53H55 NOS</td>
			<td>43</td>
			<td>32423.72</td>
			<td>26</td>
		</tr>
<tr>
<td>Naften aromatik</td>
			<td>156.22</td>
			<td>C 12 H12
</td>
			<td>65</td>
			<td>10154.3</td>
			<td>8</td>
		</tr>
<tr>
<td>Polar aromatik</td>
			<td>290.38</td>
			<td>C18H10S2
</td>
			<td>74</td>
			<td>21485.16</td>
			<td>17</td>
		</tr>
<tr>
<td>Doyurmak</td>
			<td>310.59</td>
			<td>C22H46
</td>
			<td>205</td>
			<td>63670.95</td>
			<td>49</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalt bağlayıcı</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>Tablo 1: Saf asfalt modelinin ve grafen modifiye asfalt modelinin genel bileşenleri.
Aşağıda açıklanan protokolle ilgili olarak, asfalt modelinin ortasına künt bir çatlak ucu ve iki paralel çatlak yüzeyi ile farklı boyutlarda iki tip kama benzeri çatlak yerleştirilirken, asfalt kütlesinin orta-üst alanı bozulmadan kalır. İki çatlak genişliği, Şekil 2a-b'de gösterildiği gibi 15 şve 35 şolarak seçilmiştir. 15 Å'nin seçilmesinin nedeni, küçük bir çatlak için aşırı bir vakayı araştırırken, denge işlemi sırasında asfalt moleküllerinin erken kendi kendini iyileştirmesini önlemek için çatlak genişliğinin 12 Å'nin kesilmesinden daha geniş olması gerektiğidir. 35 Å'nin seçilmesinin nedeni, köprüleme etkisini önlemek için çatlak genişliğinin 34 Å'lık doygunluk moleküllerinin uzunluğundan daha geniş olması gerektiğidir. Çatlağın yüksekliği 35 Å, kutu genişliği ile aynıdır ve çatlağın derinliği kutu uzunluğu ile aynı olan 70 Å'dır. Gerçek durumda, gözlemlenen mikro çatlak boyutları, burada modellediğimiz uzunluk ölçeğinden çok daha büyük olan birkaç mikrometreden birkaç milimetreye kadar değişebilir. Normalde, MD simülasyonundaki uzunluk ölçeği, gerçek çatlak boyutundan hala birkaç büyüklük sırası daha küçük olan 100 nm ölçeği ile sınırlıdır. Bununla birlikte, çatlaklar nano ölçekte başlar ve sürekli deformasyon48 ile makro ölçekli çatlaklara dönüşür. Nano ölçekte kendi kendini iyileştirme mekanizmasının anlaşılması, makro ölçekte çatlağın büyümesini ve daha fazla yayılmasını önlemeye yardımcı olabilir. Seçilen çatlak boyutları nanometre aralığında olsa da, sonuçlar asfalt moleküllerinin kendi kendini iyileştirme davranışlarını keşfetmek için hala etkili ve uygulanabilir olabilir. Çatlak alanlarındaki grafen tabakalar için iki yer vardır: biri çatlak ucunun üstünde, diğeri sol çatlak yüzeyine diktir. Bunların, çatlakları49 olan grafen modifiye nanokompozitlerde grafen için en yaygın pozisyonlar olduğu bulunmuştur.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig02.jpg"> Resim 2: Saf asfalt ve grafen modifiye asfalt için kendi kendini iyileştirme şemaları. Çatlak genişliği (a) 15 şve (b) 35 şolan saf asfaltın kendi kendini iyileştiren modeli. Grafen levha ile grafen modifiye asfaltın kendi kendini iyileştiren modeli, (c) çatlak ucunun üstünde ve (d) çatlak yüzeyine dik olarak bulunur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig02large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
MD simülasyonlarında, asfalt nanokompozitlerindeki moleküller arası ve moleküller arası etkileşimler, asfalt ve grafen bazlı malzemelerle iyi çalışan Tutarlı Valans Kuvvet Alanı (CVFF) 50 ile tanımlanır. CVFF'nin işlevsel formu aşağıdaki ifade olarak ifade edilir:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63303/63303eq01v2.jpg"> 1
Burada, toplam enerji Etoplamı, bağlı enerji terimleri ve bağlanmamış enerji terimlerinden oluşur. Bağlı etkileşimler, kovalent bağ germe, bağ açısı bükme enerjisi, burulma açısı dönüşü ve ilk dört terimde ifade edildiği gibi yanlış enerjilerden oluşur. Bağlanmamış enerji, van der Waals (vdW) terimi için bir LJ-12-6 fonksiyonu ve elektrostatik etkileşimler için bir Coulombic fonksiyonu içerir. CVFF,51,52 asfalt malzemelerinin simüle edilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yoğunluk, viskozite ve kütle modülü gibi simüle edilmiş fiziksel ve mekanik özellikler, CVFF51'in güvenilirliğini gösteren deneysel verilerle iyi bir uyum içindedir. CVFF sadece inorganik malzemeler için uygun değildir, aynı zamanda asfalt-silika52 ve epoksi-grafen53 sistemi gibi organik ve inorganik fazlardan oluşan yapılarda da başarıyla kullanılmıştır. Ek olarak, grafen ve asfalt arasındaki ara yüzey etkileşimleri CVFF36,54 ile karakterize edilebilir. Kuvvet alanı seçiminde önemli rol asfalt-grafen arayüzünü belirlemek olduğundan, CVFF tarafından tanımlanan bağlanmamış etkileşimler daha güvenilirdir ve bu da önceki çalışmamızda da göz önünde bulundurulmuştur36. Genel olarak, forcefield CVFF bu çalışmada benimsenmiştir. Farklı atom türleri için kısmi yükler, kuvvet alanı tarafından atanan yöntemle hesaplanır.

<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, asfaltın kendi kendini iyileştirme özelliklerini yüksek dayanıklılıkla geliştirebilir. Bununla birlikte, grafen modifiye edilmiş asfalt nanokompozitinin kendi kendini iyileştirme davranışları ve dahil grafenin rolü bu aşamada hala belirsizdir. Bu çalışmada, saf asfalt ve grafen modifiye asfaltın kendi kendini iyileştirme özellikleri moleküler dinamik simülasyonları ile araştırılmıştır. Grafen için iki çatlak genişliğine ve konumuna sahip asfalt kütleleri tanıtılır ve asfalt bileşenleri ile grafen tabakası arasındaki moleküler etkileşimler analiz edilir. Sonuçlar, grafenin konumunun asfaltın kendi kendini iyileştirme davranışlarını önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir. Çatlak yüzeyinin yakınındaki grafen, π π istifleme yoluyla aromatik moleküllerle etkileşime girerek kendi kendini iyileştirme sürecini büyük ölçüde hızlandırabilirken, çatlak ucunun üst kısmındaki grafenin süreç üzerinde küçük bir etkisi vardır. Asfaltın kendi kendini iyileştirme süreci, asfalten, polar aromatik ve naften aromatik moleküllerinin yeniden yönlendirilmesinden ve doygunluk moleküllerinin çatlak yüzeyler arasında köprülenmesinden geçer. Kendi kendini iyileştirme mekanizmasının bu derinlemesine anlaşılması, dayanıklı asfalt kaplamaların geliştirilmesine yardımcı olacak kendi kendini iyileştirme özelliklerinin iyileştirilmesi bilgisine katkıda bulunur.

Atom sayısının konturu Saf asfalt ve grafen modifiye asfalt modellerinin atom sayısının konturları, maviden kırmızıya renk çubuğunun 0 ila 28 arasında değişen atom numaralarını sergilediği Şekil 3'te gösterilmiştir. Şekil 3a-c, çatlak ucunda ve çatlak yüzeyinde grafen ile modifiye edilmiş saf asfalt ve asfalt nanokompozitlerinde 15 şçatlak genişliğine sahip yapıların atom sayı...

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

Grafen modifiye asfalt nanokompozit, saf asfalta kıyasla gelişmiş bir kendi kendini iyileştirme kabiliyeti göstermiştir. Bu protokolde, grafenin kendi kendini iyileştirme sürecindeki rolünü anlamak ve asfalt bileşenlerinin atomistik seviyeden kendi kendini iyileştirme mekanizmasını keşfetmek amacıyla moleküler dinamik simülasyonları uygulanmıştır.

Grafen Yapılarıyla Güçlendirilmiş Gelişmiş Kendi Kendini İyileştiren Asfalt: Atomistik Bir İçgörü

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

Bu yöntem, nano kompozitlere dayalı asfaltta tüm çatlak kendi kendini iyileştirmelerine ve grafitin asfaltların kapasitesini nasıl artırabileceğine cevap vermeye yardımcı olabilir. Bu teknik, deneylerle kolayca değerlendirilemeyen maddi davranışları analiz edebilir ve atomistik düzeyde kendi kendini iyileştirme mekanizması hakkında altta yatan bilgileri sağlayabilir. Bu yöntem, inorgi-inorganik sistemler ve ilgili arayüzler de dahil olmak üzere çeşitli malzeme sistemlerinde dinamik evrimin temel fiziği hakkında fikir verebilir veya hatta elektro moleküllere bakabilir.Bu tekniğe aşina değilseniz, molekül dinamik simülasyonlarının temel teorisini anlamalı ve herhangi bir simülasyon yapmadan önce her komutun temel anlamını anlamalıdır. Malzeme stüdyosu yazılımını açmaya başlamak için, grafin için üç boyutlu bir atomistik belge oluşturun ve eskiz atomu seçeneğini kullanarak grafin modelini oluşturun. Grafit nokta MSI dosyasını malzeme stüdyosuna içe aktardıktan sonra, simetri altındaki yapı menüsünde, süper hücre seçeneğini kullanarak son yapıyı oluşturun.Grafin tabakasının boyutunu, çatlak genişliğindeki asfalt zincirlerinden daha büyük olan 40 x 40 angstrom olarak tanımlayın. Daha sonra, dört tip asfalt molekülünü oluşturmak ve paketlemek için, asfalten, polar aromatikler, napthene aromatikleri için üç boyutlu atomistik belgeler oluşturun ve ayrı ayrı doyurun. Daha sonra eskiz atomu seçeneğini kullanarak, bu moleküllerin moleküler yapılarını çizin.Ardından, modüllerin altındaki amorf hücre menüsünden hesaplama seçeneğini kullanarak, bu dört çeşit asfalt molekülünü simülasyon kutusuna paketleyin. Daha sonra, çatlak ile asfalt yapısını inşa etmek için, çatlak bölgesinin yüksekliğini X boyutunda, 70 angstromluk kutunun yüksekliğiyle aynı şekilde ayarlayın ve Y boyutundaki çatlak bölgesinin derinliğini kutunun yüksekliğinin yarısına 35 angstrom olarak ayarlayın. Çatlak genişliklerinin iki durumunu 15 ve 35 angstromların Z boyutunda ayarlayın.Ardından, sil seçeneğini kullanarak, asfalt kütlesinin orta aşağı alanının çatlak bölgelerindeki gereksiz molekülleri silin ve asfalt matrisini orta yukarı alanda değiştirmeden tutun. Dengeyi sağlamak için, tüm simülasyon kutusunu 500 pikosaniye sonra izotermal izobarik topluluğun altına 1 atmosfer basıncında 300 Kelvin sıcaklıkta tamamen gevşemiş olarak yerleştirin. Daha sonra, termal komutu kullanarak, sıcaklık, basınç, yoğunluk ve enerji değerlerini sürekli inceleyerek asfalt kütlesini deneysel ölçümlerin istenen yoğunluk değerine dengeleyin.Tamamen rahat bir duruma ulaşmak için tüm sistemdeki ortalama kare yer değiştirmedeki potansiyel enerjinin yakınsamasını kontrol edin. Daha sonra, kendi kendini iyileştirme işlemini gerçekleştirmek için, tüm simülasyon kutusunu izotermal izobarik topluluğun altına 300 Kelvin sıcaklık ve 1 atmosfer basıncı ile ayarlayın. Ardından, asfalt moleküllerinin çatlak bölgesinin konturu üzerindeki kısıtlamasını kaldırın.Simülasyon kutusunun boyutunu atomların koordinatlarında izleyin ve kaydedin. Ardından, işlem sonrası işlemler için dump komutunu kullanın. Son olarak, rastgele hataları azaltmak için 3 farklı başlangıç hızı tohumuna sahip 3 bağımsız konfigürasyon üzerinden kendi kendini iyileştirme işlemi sırasında simülasyon sonuçlarının ortalamasının ortalaması.Kendi kendini onarma davranışlarını ve simülasyon ilerlemesini görselleştirmek için, açık görselleştirme aracı OVITO'yu açın"Ardından, yörünge dosyalarını LAMMPS tarafından oluşturulan LAMMPS TRJ biçiminde açın. Kendi kendini iyileştirme sürecinin anlık görüntülerini kaydedin, ardından render komutunu kullanarak asfalt moleküllerinin yollarını izleyin. Daha sonra, atom numarasının konturunu analiz etmek için, atomların koordinatlarını yörünge dosyalarından veri analizi ve grafik yazılımına aktarın.Tüm sistemdeki atomların koordinatlarını YZ düzlemine yansıtın, ardından YZ düzleminin farklı alanlarındaki atom numaralarını kaydedin ve konturu farklı renklerle çizin. Ardından, hesaplama MSD komutunu kullanarak ortalama kare yer değiştirmeyi hesaplayarak farklı asfalt bileşenlerinin atom hareketliliğini analiz edin. Daha sonra hesaplama RDF komutunu ve LAMMPS'yi kullanarak, 15 ve 35 angstrom çatlak genişliklerine sahip modifiye asfalt sistemlerinin grafiğini çıkarmak için grafin ve asfalt molekülleri arasındaki göreceli konumları radyal dağılım faktörüne veya RDF eğrilerine göre hesaplayın.Son olarak, asfalt yoğunluğunun grafin levhasından uzaklığın bir fonksiyonu olarak nasıl değiştiğini kontrol etmek için RDF eğrilerini çizin. Saf asfalt için, 300 pikosaniye sonra tam kendi kendine iyileşme gerçekleşir. Çatlak bölgesi 50'de keskin bir şekilde azalır, neredeyse 200 pikosaniyede kaybolur.Grafinin çatlak yüzeyinin soluna yerleştirilmesi, kendi kendini iyileştirme sürecini önemli ölçüde hızlandırabilir. İyileşme süresi 200 pikosaniyeye kısalır, çatlak genişliği 20'de önemli ölçüde azalır ve yaklaşık 150 pikosaniyede neredeyse kaybolur. Kendi kendini iyileştirme davranışları, grafin tabakası sol çatlak yüzeyindeyken önemli ölçüde iyileşti.Grafin sol çatlak yüzeyine yerleştirildiğinde, polar aromatiklerin, napten aromatiklerin ve grafinin hareketliliği, saf asfalta kıyasla önemli ölçüde iyileşmiştir. 15 angstrom çatlak genişliği modeli için asfalt bileşenlerinde sol çatlak yüzeyindeki grafin arasındaki RDF değerleri, aromatik moleküllerin ve asfaltın grafin tabakasına, özellikle polar aromatik moleküllere ve napten aromatik moleküllerine yaklaştığını göstermektedir. 35 angstrom çatlak genişliği modelinin 4 angstromun ötesindeki RDF değerleri, 15 angstrom çatlak genişliği modelininkinden daha belirgindir, çünkü asfaltit, daha büyük çatlak bölgesinde grafine doğru dağılmak ve hareket etmek için daha fazla alana sahiptir.Bir çatlağın iyi muhafaza edilmesini ve sistemin tamamen dengelenmesini sağlarken asfalt modelinde makul bir çatlak ayarlamak çok önemlidir. Maliyet tahıl modellemesi, daha geniş bir uzunluk ölçeği aralığını benimsemek için bu prosedüre dayanarak gerçekleştirilebilir ve ayrıca farklı ölçeklerde asfalttaki çatlağın kendi kendine iyileşmesi getirilir. Bu teknik, asfalt bazlı nano kompozitlerin daha iyi iyileştirilmesi için kusurlar, fotoğraf yapısı ve fonksiyonel gruplar gibi özel tasarıma sahip nano dolgu maddelerinin moleküler yapısını izleyebilir ve optimize edebilir.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Sentezi ve 3D Nano-grafen Malzemelerin fonksiyonalizasyonu: Grafen Aerogels ve Graphene Makro Meclisleri

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

Transfer Baskı ile Hidrojene Mikrokristal Silikon Güneş Pilleri Işık Yakalama Gümüş Nanoyapıların Entegrasyonu

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

Ön ısıtma Hidrotermal kullanarak Piezoelektrik Nanogenerator için ZnO Nanorod / Grafen / ZnO Nanorod Epitaksiyel çift heteroyapı hazırlanması

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

Grafen Nanoplatelets ile Ölçekli Kompozit Malzemeler Güçlendirilmiş dayanarak suşu Algılama

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

Yerel İletişim tarafından Vortex Manipülasyon KALAMAR Çalışması taranması

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

Korozyon takviyeli beton yapılardan alınan örnekler içinde klorür eşik değerini belirlemek için deneysel protokol

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

Tek katmanlı dikdörtgen SnSe büyük ölçekli pul imalatı atmosfer basıncı

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

Radyoaktif iyot anyon altın nano tanecikleri gömülü membran filtre kullanarak, seçici tuzdan arındırma için verimli bir yöntem

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

Fonksiyonel yüzeyler için baskılı Nanofibers tarafından toplanan multiscale yapıları

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

Lityum-iyon pil malzeme gözlenmesi için Graphene sıvı hücreleri hazırlanması

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