الأسفلت المتقدم ذاتي الشفاء المعزز بهياكل الجرافين: رؤية ذرية

يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الشفاء الذاتي للصدع بالكامل في مركبات النانو القائمة على الأسفلت ، وكيف يمكن للجرافيت تحسين قدرة الأسفلت. يمكن لهذه التقنية تحليل السلوكيات المادية التي لا يمكن تقييمها بسهولة عن طريق التجارب ، ويمكن أن توفر المعلومات الأساسية حول آلية الشفاء الذاتي على المستوى الذري. يمكن أن توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة على الفيزياء الأساسية للتطور الديناميكي في أنظمة المواد المختلفة بما في ذلك الأنظمة غير العضوية غير العضوية والواجهات ذات الصلة ، أو حتى التحديق في الجزيئات الكهربائية.

إذا لم تكن على دراية بهذه التقنية ، فيجب على المرء أن يفهم النظرية الأساسية للمحاكاة الديناميكية للجزيئات ومعرفة المعنى الأساسي لكل أمر قبل إجراء أي عمليات محاكاة. لبدء فتح برنامج استوديو المواد ، ثم قم بإنشاء مستند ذري ثلاثي الأبعاد للجرافين وبناء نموذج الجرافين باستخدام خيار ذرة الرسم. بعد استيراد ملف MSI نقطة الجرافيت إلى استوديو المواد ، في قائمة الإنشاء تحت التماثل ، قم ببناء الهيكل النهائي باستخدام خيار الخلية الفائقة.

حدد حجم ورقة الجرافين على أنه 40 × 40 أنغستروم ، وهو أكبر من سلاسل الأسفلت في عرض الكراك. بعد ذلك ، لبناء وتعبئة الأنواع الأربعة من جزيئات الأسفلت ، قم بإنشاء الوثائق الذرية ثلاثية الأبعاد للأسفلتين والعطريات القطبية وعطريات الناثين والتشبع بشكل منفصل. ثم باستخدام خيار رسم الذرة ، ارسم الهياكل الجزيئية لهذه الجزيئات.

بعد ذلك ، باستخدام خيار الحساب من قائمة الخلايا غير المتبلورة تحت الوحدات النمطية ، قم بتعبئة هذه الأنواع الأربعة من جزيئات الأسفلت في مربع المحاكاة. ثم ، لبناء هيكل الأسفلت مع الكراك ، اضبط ارتفاع منطقة الكراك في البعد X ، تماما مثل ارتفاع الصندوق البالغ 70 أنغستروم ، واضبط عمق منطقة الكراك في البعد Y على نصف ارتفاع الصندوق على أنه 35 أنغستروم. اضبط حالتين من عرض الكراك في البعد Z من 15 و 35 angstroms.

بعد ذلك ، باستخدام خيار الحذف ، احذف الجزيئات الزائدة في مناطق التصدع في المنطقة الوسطى السفلية من كتلة الأسفلت ، واحتفظ بمصفوفة الأسفلت في المنطقة الوسطى دون تغيير. لتحقيق التوازن ، ضع صندوق المحاكاة بأكمله مسترخيا تماما بعد 500 بيكو ثانية تحت مجموعة متساوي الحرارة متساوي الحرارة مع درجة حرارة 300 كلفن في ضغط 1 الغلاف الجوي. ثم ، باستخدام الأمر الحراري ، قم بموازنة الجزء الأكبر من الأسفلت مع قيمة الكثافة المطلوبة للقياسات التجريبية من خلال الفحص المستمر لدرجة الحرارة والضغط والكثافة وقيم الطاقة.

تحقق من تقارب الطاقة الكامنة في متوسط الإزاحة المربعة في النظام بأكمله لتحقيق حالة الاسترخاء التام. بعد ذلك ، لإجراء عملية الشفاء الذاتي ، اضبط صندوق المحاكاة بالكامل تحت المجموعة متساوية الحرارة متساوي الحرارة بدرجة حرارة 300 كلفن وضغط 1 غلاف جوي. ثم ، قم بإزالة قيود جزيئات الأسفلت على محيط منطقة الكراك.

تتبع وتسجيل حجم مربع المحاكاة في إحداثيات الذرات. ثم استخدم أمر التفريغ للمعالجة اللاحقة. وأخيرا، متوسط نتائج المحاكاة أثناء عملية الشفاء الذاتي على مدى 3 تكوينات مستقلة مع 3 بذور سرعة أولية مختلفة لتقليل الأخطاء العشوائية.

لتصور سلوكيات الشفاء الذاتي وتقدم المحاكاة ، افتح أداة التصور المفتوحة OVITO"ثم افتح ملفات المسار بتنسيق LAMMPS TRJ الذي تم إنشاؤه بواسطة LAMMPS. سجل لقطات عملية الشفاء الذاتي ، ثم ، باستخدام أمر العرض ، تتبع مسارات جزيئات الأسفلت. بعد ذلك ، لتحليل محيط رقم الذرة ، قم بتصدير إحداثيات الذرات من ملفات المسار إلى برنامج تحليل البيانات والرسوم البيانية.

اعرض إحداثيات الذرات في النظام بأكمله على مستوى YZ ، ثم سجل أرقام الذرات في مناطق مختلفة من مستوى YZ وارسم الكفاف بألوان مختلفة. بعد ذلك ، قم بتحليل حركة الذرة لمكونات الأسفلت المختلفة عن طريق حساب متوسط الإزاحة التربيعية باستخدام أمر حساب MSD. ثم باستخدام أمر حساب RDF و LAMMPS ، احسب المواقع النسبية بين جزيئات الجرافين والأسفلت بواسطة عامل التوزيع الشعاعي ، أو منحنيات RDF ، لأنظمة الأسفلت المعدلة بيانيا مع عرض صدع أنغستروم 15 و 35.

أخيرا ، ارسم منحنيات RDF للتحقق من كيفية اختلاف كثافة الأسفلت كدالة للمسافة من ورقة الجرافين. بالنسبة للأسفلت النقي ، يحدث الشفاء الذاتي الكامل بعد 300 بيكو ثانية. تنخفض منطقة الكراك بشكل حاد عند 50 ، وتختفي تقريبا في 200 بيكو ثانية.

يمكن أن يؤدي إدخال الجرافين على يسار سطح الكراك إلى تسريع عملية الشفاء الذاتي بشكل كبير. تقصر فترة الشفاء إلى 200 بيكو ثانية ، مع انخفاض عرض الكراك بشكل كبير عند 20 ، ويختفي تقريبا في حوالي 150 بيكو ثانية. تحسنت سلوكيات الشفاء الذاتي بشكل كبير عندما تكون ورقة الجرافين على سطح الكراك الأيسر.

عندما يتم وضع الجرافين على سطح الكراك الأيسر ، تحسنت حركات العطريات القطبية ، وعطريات الناثين ، والجرافين بشكل كبير مقارنة بالأسفلت النقي. تظهر قيم RDF بين الجرافين على سطح الكراك الأيسر في مكونات الأسفلت لنموذج عرض صدع أنغستروم 15 أن الجزيئات العطرية والأسفلت تقترب من ورقة الجرافين ، وخاصة الجزيئات العطرية القطبية وجزيئات النافين العطرية. حيث يكون نموذج عرض صدع أنغستروم 35 قيم RDF التي تتجاوز 4 angstroms أكثر وضوحا من تلك الموجودة في نموذج عرض صدع angstrom 15 لأن الأسفلت لديه مساحة أكبر للانتشار والتحرك نحو الجرافين في منطقة الكراك الأكبر.

من المهم جدا تعيين صدع معقول في نموذج الأسفلت مع ضمان الحفاظ على الكراك بشكل جيد وتوازن النظام بالكامل. يمكن إجراء نمذجة الحبوب التكلفة بناء على هذا الإجراء لاحتضان مجموعة أوسع من مقياس الطول ، ويتم جلب المزيد من الشفاء الذاتي للكراك في الأسفلت على مستويات مختلفة. يمكن لهذه التقنية مراقبة وتحسين البنية الجزيئية لحشوات النانو بتصميم خاص ، مثل العيوب وبنية الصور والمجموعات الوظيفية للتحسين المتقدم لمركبات النانو القائمة على الأسفلت.