Fortschrittlicher selbstheilender Asphalt, verstärkt durch Graphenstrukturen: eine atomistische Erkenntnis

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.