Name: Asfalto avanzado de autocuración reforzado por estructuras de grafeno: una visión atomística (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: Aprende simulaciones de dinámica molecular para estudiar el mecanismo de autocuración del asfalto modificado con grafeno a nivel atomístico. Este método computacional revela interacciones atómicas inaccesibles experimentalmente.

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Los autores agradecen el apoyo de la Subvención de Investigación Estratégica de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong con el Proyecto No. 7005547, el apoyo del Consejo de Becas de Investigación (RGC) de la Región Administrativa Especial de Hong Kong, China, con el Proyecto No. R5007-18, y el apoyo del Comité de Innovación de Ciencia y Tecnología de Shenzhen bajo la subvención JCYJ20170818103206501.

1. Construir los modelos atomísticos
<ol><li>Abra el software Materials Studio para crear cinco documentos atomísticos 3D y cambie el nombre de estos documentos como grafeno, asfalteno, aromáticos polares, aromáticos de nafteno y saturados, respectivamente.</li>
	<li>Cree el modelo de grafeno creando la celda unitaria de la hoja de grafeno en el documento atomístico 3D utilizando la opción Esbozar átomo.</li>
	<li>Construya la estructura final utilizando la opción Supercell en el menú Construir > simetría . Defina el tamaño de la lámina de grafeno como 40 Å x 40 Å, que es más grande que las cadenas de asfalto y el ancho de la grieta.</li>
	<li>Construir y empacar los cuatro tipos de moléculas de asfalto.<ol>
<li>Utilice la opción Sketch Atom para dibujar las estructuras moleculares de asfalteno, aromáticos polares, aromáticos naftenenos y saturados por separado.</li>
		<li>Empaque los cuatro tipos de moléculas de asfalto en el cuadro de simulación utilizando la opción Cálculo en el menú Módulos > celda amorfa .</li>
	</ol>
</li>
	<li>Construye la estructura asfáltica con la grieta.<ol>
<li>Establezca la altura de la zona de grieta en la dimensión x igual que la altura de la caja de 70 Å y la profundidad de la zona de grieta en la dimensión y es la mitad de la altura de la caja como 35 Å.</li>
		<li>Establezca dos casos de los anchos de grieta en la dimensión z de 15 Å y 35 Å. Elimine las moléculas redundantes en las zonas de grieta del área media hacia abajo del granel de asfalto utilizando la opción Eliminar y mantenga la matriz de asfalto en el área media hacia arriba sin cambios.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Construye la estructura asfáltica modificada con grafeno con la grieta. Incorpore la hoja de grafeno en el área superior de la punta de la grieta y la superficie de la grieta izquierda por separado antes del paso de embalaje utilizando el comando Copiar + Pegar .</li>
	<li>Empaque las moléculas de asfalto en la caja de simulación basada en las composiciones finales enumeradas en la Tabla 1 para construir la estructura de asfalto modificada con grafeno.</li>
	<li>Convierta el archivo de estructura en un archivo de datos. Guarde los archivos de estructura como archivos de molécula con información de estructura (*.car y *.mdf) de Materials Studio. Convierta los archivos de moléculas (*.car y *.mdf) en archivos de datos utilizando la herramienta msi2lmp en el paquete de simulador paralelo masivo atómico/molecular a gran escala (LAMMPS)55 . Lea el archivo de datos mediante el comando read_data en LAMMPS.</li>
</ol>2. Realiza las simulaciones
<ol><li>Definir los parámetros de las simulaciones.<ol>
<li>Establezca el paso de tiempo como 1 fs en el archivo de entrada teniendo en cuenta el equilibrio de precisión y eficiencia de las simulaciones realizadas.</li>
		<li>Establezca la distancia de corte de las interacciones no enlazadas como 12 Å, que es menos de la mitad de la longitud de la caja de simulación teniendo en cuenta la condición de límite periódico y la eficiencia de cálculo.</li>
		<li>Emplee el algoritmo de malla de partículas-partículas (PPPM) para describir las interacciones coulombicas de largo alcance y establecer el error relativo en las fuerzas por átomo calculadas por el solucionador de largo alcance como 10-5 para una alta precisión.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Arreglar el perfil de grieta. Seleccione las moléculas de asfalto en el perfil mediante el comando Agrupar moléculas en LAMMPS. Aplique las restricciones en las moléculas de asfalto utilizando el fix spring/autocomando en LAMMPS para evitar los movimientos de las moléculas de asfalto.</li>
	<li>Lograr el equilibrio<ol>
<li>Mantenga toda la caja de simulación completamente relajada después de 500 hp bajo el conjunto isotérmico-isobárico (NPT) con una temperatura de 300 K y una presión de 1 atm.</li>
		<li>Haga que el granel de asfalto se equilibre al valor de densidad deseado de las mediciones experimentales41 de 0.95-1.05 g / cm3 examinando continuamente los valores de temperatura, presión, densidad y energía utilizando el comando Térmico .</li>
		<li>Compruebe la convergencia de la energía potencial y el desplazamiento cuadrático medio (MSD) en todo el sistema para lograr el estado completamente relajado.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Realizar el proceso de autocuración.<ol>
<li>Coloque toda la caja de simulación debajo del conjunto NPT con una temperatura de 300 K y una presión de 1 atm.</li>
		<li>Elimine la restricción de las moléculas de asfalto en el contorno de la zona de grieta.</li>
		<li>Rastree y registre el tamaño de la caja de simulación y las coordenadas de los átomos y use el comando Dump para el posprocesamiento.</li>
		<li>Promedie los resultados de la simulación durante el proceso de autorreparación en tres configuraciones independientes con tres semillas de velocidad inicial diferentes para disminuir los errores aleatorios.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Postprocesamiento
<ol><li>Visualiza los comportamientos de autocuración. Abra la herramienta de visualización abierta OVITO56 para visualizar el progreso de la simulación y, a continuación, abra los archivos de trayectoria en el formato lammpstrj generado por LAMMPS55. Registre las instantáneas del proceso de autorreparación y rastree las trayectorias de las moléculas de asfalto utilizando el comando Render .</li>
	<li>Analizar el contorno del número de átomos. Exporte las coordenadas de los átomos a software de análisis de datos y gráficos desde los archivos de trayectoria generados desde LAMMPS. Proyecte las coordenadas de los átomos en todo el sistema en el plano yz. Registre los números de átomos en diferentes áreas del plano yz y trace el contorno con diferentes colores.</li>
	<li>Analizar la movilidad del átomo y la posición relativa.<ol>
<li>Analice la movilidad atómica de diferentes componentes de asfalto por el desplazamiento cuadrático medio (MSD) utilizando el comando Compute msd .</li>
		<li>Calcule las posiciones relativas entre las moléculas de grafeno y asfalto mediante las curvas de funciones de distribución radial (RDF) para el sistema de sistemas de asfalto modificados con grafeno con los anchos de grieta de 15 Å y 35 Å utilizando el comando Compute rdf en LAMMPS.</li>
		<li>Dibuje las curvas RDF para comprobar cómo varía la densidad del asfalto en función de la distancia de la lámina de grafeno.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.

Los pasos críticos dentro de la parte del Protocolo son los siguientes: paso 1.4 - Construir y empacar los cuatro tipos de moléculas de asfalto; paso 1.5 - Construir la estructura de asfalto con la grieta; paso 2.3 - Lograr el equilibrio; paso 2.4 - Realizar el proceso de autocuración. Estos pasos indican los contenidos más cohesivos e importantes del protocolo. Para crear las formas deseadas de la grieta insertada, el proceso de embalaje se modifica en comparación con el embalaje normal en Materials Studio. La forma de ...

<table><tbody><tr><td>Modelos atomísticos de asfalto y grafeno/Materials Studio</td><td>BIOVIA</td><td>Materials Studio 8.0</td><td>Los modelos atomísticos están construidos para simulaciones de dinámica molecular.</td></tr><tr><td>Paquete de simulador atómico/molecular masivamente paralelo a gran escala</td><td>Sandia National Laboratories</td><td>lammps-stable20</td><td>El equilibrio se logra bajo el conjunto NPT, y los modelos atomísticos se auto-curan.</td></tr><tr><td>OVITO</td><td>Departamento de Ciencia de los Materiales de la Technische Universit&auml; t Darmstadt, Alemania</td><td>ovito-basic-3.1.0-win64</td><td>Se visualizan los comportamientos de autocuración de los modelos atomísticos.</td></tr><tr><td>Origin</td><td>OriginLab</td><td>Origin 2018 64Bit</td><td>Se dibujan y analizan los contornos de los números de átomos de la trayectoria.</td></tr></tbody></table>

asfalto avanzado de autocuración reforzado por estructuras de grafeno: una visión atomística

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

El grafeno puede mejorar las propiedades de autocuración del asfalto con una alta durabilidad. Sin embargo, los comportamientos de autocuración del nanocompuesto de asfalto modificado con grafeno y el papel del grafeno incorporado aún no están claros en esta etapa. En este estudio, las propiedades de autocuración del asfalto puro y el asfalto modificado con grafeno se investigan a través de simulaciones de dinámica molecular. Se introducen bultos de asfalto con dos anchos de grieta y ubicaciones para el grafeno, y se analizan las interacciones moleculares entre los componentes de asfalto y la lámina de grafeno. Los resultados muestran que la ubicación del grafeno afecta significativamente los comportamientos de autocuración del asfalto. El grafeno cerca de la superficie de la grieta puede acelerar en gran medida el proceso de autocuración al interactuar con las moléculas aromáticas a través del apilamiento π-π, mientras que el grafeno en el área superior de la punta de la grieta tiene un impacto menor en el proceso. El proceso de autocuración del asfalto pasa por la reorientación de las moléculas aromáticas de asfalteno, aromático polar y nafteno, y el puente de moléculas saturadas entre las superficies de grietas. Esta comprensión profunda del mecanismo de autocuración contribuye al conocimiento de la mejora de las propiedades de autocuración, lo que ayudará a desarrollar pavimentos de asfalto duraderos.

El contorno del número de átomos Los contornos del número de átomos de asfalto puro y modelos de asfalto modificado con grafeno en el plano yz se muestran en la Figura 3, donde la barra de color de azul a rojo exhibe números de átomos que varían de 0 a 28. La Figura 3a-c ilustra el contorno del número de átomos de las estructuras con un ancho de grieta de 15 Å en asfalto puro y nanocompuestos de asfalto modif...

El nanocompuesto de asfalto modificado con grafeno ha demostrado una capacidad avanzada de autocuración en comparación con el asfalto puro. En este protocolo se han aplicado simulaciones de dinámica molecular para comprender el papel del grafeno en el proceso de autocuración y explorar el mecanismo de autocuración de los componentes del asfalto desde el nivel atomístico.

Asfalto avanzado de autocuración reforzado por estructuras de grafeno: una visión atomística

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

Este método puede ayudar a responder a las grietas enteras que se autorreparan en el asfalto a base de los nano compuestos, y cómo el grafito puede mejorar la capacidad de los asfaltos. Esta técnica puede analizar comportamientos materiales que no pueden ser evaluados fácilmente por experimentos, y puede proporcionar la información subyacente sobre el mecanismo de autocuración a nivel atomístico. Este método podría proporcionar información sobre la física fundamental de la evolución dinámica en varios sistemas materiales, incluidos los sistemas inorgánicos inorgi y las interfaces relacionadas, o incluso mirar las electromoléculas.Si no está familiarizado con esta técnica, uno debe comprender la teoría básica de las simulaciones dinámicas de moléculas y descubrir el significado básico de cada comando antes de llevar a cabo cualquier simulación. Para comenzar a abrir el software de estudio de materiales, luego cree un documento atomístico tridimensional para la grafina y construya el modelo de grafina utilizando la opción de átomo de boceto. Después de importar el archivo MSI de punto de grafito en material studio, en el menú de compilación bajo simetría, construya la estructura final utilizando la opción de supercelda.Defina el tamaño de la lámina de grafina como 40 por 40 angstroms, que es más grande que las cadenas de asfalto en el ancho de la grieta. A continuación, para construir y empacar los cuatro tipos de moléculas de asfalto, cree los documentos atomísticos tridimensionales para asfalteno, aromáticos polares, aromáticos de napteno y saturados por separado. Luego, usando la opción de átomo de boceto, dibuje las estructuras moleculares de estas moléculas.A continuación, utilizando la opción de cálculo del menú de celdas amorfas en los módulos, empaque estos cuatro tipos de moléculas de asfalto en la caja de simulación. Luego, para construir la estructura de asfalto con la grieta, establezca la altura de la zona de grieta en la dimensión X, igual que la altura de la caja de 70 angstroms, y establezca la profundidad de la zona de grieta en la dimensión Y a la mitad de la altura de la caja como 35 angstroms. Establezca dos casos de los anchos de grieta en la dimensión Z de 15 y 35 angstroms.Luego, usando la opción de eliminación, elimine las moléculas redundantes en las zonas de grieta del área media hacia abajo del volumen de asfalto y mantenga la matriz de asfalto en el área de medio hacia arriba sin cambios. Para lograr el equilibrio, coloque toda la caja de simulación completamente relajada después de 500 picosegundos bajo el conjunto isobárico isotérmico con una temperatura de 300 Kelvin a presión de 1 atmósfera. Luego, utilizando el comando térmico, equilibre el volumen de asfalto al valor de densidad deseado de las mediciones experimentales examinando continuamente los valores de temperatura, presión, densidad y energía.Compruebe la convergencia de la energía potencial en el desplazamiento cuadrático medio en todo el sistema para lograr el estado completamente relajado. A continuación, para realizar el proceso de autocuración, coloque toda la caja de simulación debajo del conjunto isobárico isotérmico con una temperatura de 300 Kelvin y una presión de 1 atmósfera. Luego, elimine la restricción de las moléculas de asfalto en el contorno de la zona de grieta.Rastree y registre el tamaño de la caja de simulación en las coordenadas de los átomos. A continuación, utilice el comando dump para el procesamiento posterior. Finalmente, promedie los resultados de la simulación durante el proceso de autorreparación en 3 configuraciones independientes con 3 semillas de velocidad inicial diferentes para disminuir los errores aleatorios.Para visualizar los comportamientos de autorreparación y el progreso de la simulación, abra la herramienta de visualización abierta OVITO"luego, abra los archivos de trayectoria en el formato LAMMPS TRJ generado por LAMMPS. Registre las instantáneas del proceso de autorreparación, luego, utilizando el comando render, rastree las rutas de las moléculas de asfalto. A continuación, para analizar el contorno del número de átomos, exporte las coordenadas de los átomos desde los archivos de trayectoria al software de análisis de datos y gráficos.Proyecte las coordenadas de los átomos en todo el sistema en el plano YZ, luego registre los números de átomos en diferentes áreas del plano YZ y trace el contorno con diferentes colores. A continuación, analice la movilidad atómica de diferentes componentes de asfalto calculando el desplazamiento cuadrático medio utilizando el comando compute MSD. Luego, utilizando el comando de cómputo RDF y LAMMPS, calcule las posiciones relativas entre las moléculas de grafina y asfalto por el factor de distribución radial, o curvas RDF, para los sistemas de asfalto modificados de graficación con los anchos de grieta de angstrom de 15 y 35.Finalmente, dibuje las curvas RDF para verificar cómo varía la densidad del asfalto en función de la distancia de la lámina de grafina. Para el asfalto puro, la autocuración completa ocurre después de 300 picosegundos. La zona de grieta disminuye bruscamente a los 50, casi desaparece a los 200 picosegundos.La inserción de la grafina a la izquierda de la superficie de la grieta puede acelerar significativamente el proceso de autocuración. El período de curación se acorta a 200 picosegundos, con el ancho de la grieta disminuyendo significativamente a los 20, y casi desapareciendo a unos 150 picosegundos. Los comportamientos de autocuración mejoraron significativamente cuando la lámina de grafina está en la superficie de la grieta izquierda.Cuando la grafina se coloca en la superficie de la grieta izquierda, las movilidades de los aromáticos polares, los aromáticos de napteno y la grafina mejoraron significativamente en comparación con la del asfalto puro. Los valores de RDF entre la grafina en la superficie de la grieta izquierda en los componentes del asfalto para el modelo de ancho de grieta de 15 angstrom muestran que las moléculas aromáticas y el asfalto se acercan a la lámina de grafina, especialmente las moléculas aromáticas polares y las moléculas aromáticas de napteno. Donde los valores RDF del modelo de ancho de grieta de 35 angstrom más allá de 4 angstroms son más obvios que los del modelo de ancho de grieta de 15 angstrom porque la asfaltita tiene más espacio para difundir y moverse hacia la grafina en la zona de grieta más grande.Es muy importante establecer una grieta razonable en el modelo de asfalto mientras se asegura de que una grieta esté bien mantenida y que el sistema esté completamente equilibrado. El modelado de grano de costo se puede realizar en función de este procedimiento para abarcar una gama más amplia de escala de longitud, y además se trae, la autocuración de la grieta en el asfalto a diferentes escalas. Esta técnica puede monitorear y optimizar la estructura molecular de los nano rellenos con un diseño especial, como defectos, estructura fotográfica y grupos funcionales para la mejora avanzada de nano compuestos a base de asfalto.

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Investigación

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