Name: Asphalte auto-cicatrisant avancé renforcé par des structures en graphène: un aperçu atomistique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: Découvrez les simulations de dynamique moléculaire pour étudier l'auto-cicatrisation de l'asphalte modifié au graphène. Cette méthode révèle les interactions atomiques et améliore la durabilité des infrastructures routières.

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Les auteurs sont reconnaissants du soutien de la subvention de recherche stratégique de la City University of Hong Kong avec le projet n ° 7005547, le soutien du Conseil des subventions de recherche (RGC) de la Région administrative spéciale de Hong Kong, Chine, avec le projet n ° R5007-18, et le soutien du Shenzhen Science and Technology Innovation Committee dans le cadre de la subvention JCYJ20170818103206501.

1. Construire les modèles atomistiques
<ol><li>Ouvrez le logiciel Materials Studio pour créer cinq documents atomistiques 3D et renommez ces documents en graphène, asphaltène, aromatiques polaires, aromatiques de naphtène et saturés, respectivement.</li>
	<li>Créez le modèle de graphène en créant la cellule unitaire de la feuille de graphène dans le document atomistique 3D à l’aide de l’option Esquisse d’atome .</li>
	<li>Construisez la structure finale à l’aide de l’option Supercell du menu Générer > symétrie . Définissez la taille de la feuille de graphène comme 40 Å x 40 Å, ce qui est plus grand que les chaînes d’asphalte et la largeur de la fissure.</li>
	<li>Construisez et emballez les quatre types de molécules d’asphalte.<ol>
<li>Utilisez l’option Sketch Atom pour dessiner séparément les structures moléculaires de l’asphaltène, des aromatiques polaires, des aromatiques de naphtène et des saturés.</li>
		<li>Emballez les quatre types de molécules d’asphalte dans la boîte de simulation à l’aide de l’option Calcul du menu Modules > cellule amorphe .</li>
	</ol>
</li>
	<li>Construisez la structure d’asphalte avec la fissure.<ol>
<li>Réglez la hauteur de la zone de fissure dans la dimension x de la même que la hauteur de la boîte de 70 Å et la profondeur de la zone de fissure dans la dimension y est la moitié de la hauteur de la boîte comme 35 Å.</li>
		<li>Définissez deux cas des largeurs de fissure dans la dimension z de 15 Å et 35 Å. Supprimez les molécules redondantes dans les zones de fissure de la zone médiane du vrac d’asphalte à l’aide de l’option Supprimer et conservez la matrice d’asphalte dans la zone médiane inchangée.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Construisez la structure d’asphalte modifiée au graphène avec la fissure. Incorporez la feuille de graphène dans la zone supérieure de la pointe de la fissure et la surface de la fissure gauche séparément avant l’étape d’emballage à l’aide de la commande Copier + Coller .</li>
	<li>Emballez les molécules d’asphalte dans la boîte de simulation en fonction des compositions finales énumérées dans le tableau 1 pour construire la structure d’asphalte modifiée au graphène.</li>
	<li>Convertissez le fichier de structure en fichier de données. Enregistrez les fichiers de structure en tant que fichiers de molécules avec les informations de structure (*.car et *.mdf) de Materials Studio. Convertissez les fichiers de molécules (*.car et *.mdf) en fichiers de données à l’aide de l’outil msi2lmp dans un simulateur atomique/moléculaire massivement parallèle à grande échelle (LAMMPS)55 . Lisez le fichier de données à l’aide de la commande read_data dans LAMMPS.</li>
</ol>2. Effectuer les simulations
<ol><li>Définissez les paramètres des simulations.<ol>
<li>Définissez le pas de temps sur 1 fs dans le fichier d’entrée en tenant compte de l’équilibre entre la précision et l’efficacité des simulations effectuées.</li>
		<li>Définissez la distance de coupure des interactions non liées sur 12 Å, ce qui représente moins de la moitié de la longueur de la boîte de simulation en tenant compte de la condition aux limites périodique et de l’efficacité de calcul.</li>
		<li>Utilisez l’algorithme PPPM (Particle-Mesh) particule-particule pour décrire les interactions coulombiques à longue portée et définir l’erreur relative dans les forces par atome calculées par le solveur à longue portée sur 10-5 pour une grande précision.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fixez le profil de la fissure. Sélectionnez les molécules d’asphalte sur le profil par la commande Group Molecules dans LAMMPS. Appliquez les contraintes sur les molécules d’asphalte à l’aide de la commande Fix Spring/Self dans LAMMPS pour éviter les mouvements des molécules d’asphalte.</li>
	<li>Atteindre l’équilibre<ol>
<li>Gardez l’ensemble de la boîte de simulation complètement détendu après 500 ps sous l’ensemble isotherme-isobare (NPT) avec une température de 300 K et une pression de 1 atm.</li>
		<li>Rendre l’asphalte en vrac équilibré à la valeur de densité souhaitée des mesures expérimentales41 de 0,95-1,05 g / cm3 en examinant en permanence les valeurs de température, de pression, de densité et d’énergie à l’aide de la commande Thermique .</li>
		<li>Vérifiez la convergence de l’énergie potentielle et le déplacement moyen-carré (MSD) dans l’ensemble du système pour atteindre l’état complètement détendu.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Effectuez le processus d’auto-guérison.<ol>
<li>Placez l’ensemble de la boîte de simulation sous l’ensemble NPT avec une température de 300 K et une pression de 1 atm.</li>
		<li>Supprimer la contrainte des molécules d’asphalte sur le contour de la zone de fissure.</li>
		<li>Suivez et enregistrez la taille de la boîte de simulation et les coordonnées des atomes et utilisez la commande Dump pour le post-traitement.</li>
		<li>Faites la moyenne des résultats de la simulation au cours du processus d’auto-guérison sur trois configurations indépendantes avec trois graines de vitesse initiale différentes afin de réduire les erreurs aléatoires.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Post-traitement
<ol><li>Visualisez les comportements d’auto-guérison. Ouvrez l’outil de visualisation ouvert OVITO56 pour visualiser la progression de la simulation, puis ouvrez les fichiers de trajectoire au format lammpstrj généré par LAMMPS55. Enregistrez les instantanés du processus d’auto-guérison et suivez les trajectoires des molécules d’asphalte à l’aide de la commande Render .</li>
	<li>Analysez le contour du nombre d’atomes. Exportez les coordonnées des atomes vers un logiciel d’analyse de données et de représentation graphique à partir des fichiers de trajectoire générés par LAMMPS. Projeter les coordonnées des atomes dans l’ensemble du système sur le plan yz. Enregistrez le nombre d’atomes à différentes zones du plan yz et tracez le contour avec différentes couleurs.</li>
	<li>Analysez la mobilité et la position relative de l’atome.<ol>
<li>Analysez la mobilité des atomes de différents composants d’asphalte par déplacement moyen-carré (MSD) à l’aide de la commande Compute msd .</li>
		<li>Calculez les positions relatives entre les molécules de graphène et d’asphalte par les courbes des fonctions de distribution radiale (RDF) pour le système de systèmes d’asphalte modifiés au graphène avec les largeurs de fissure de 15 Å et 35 Å à l’aide de la commande Compute rdf dans LAMMPS.</li>
		<li>Dessinez les courbes RDF pour vérifier comment la densité de l’asphalte varie en fonction de la distance par rapport à la feuille de graphène.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Les étapes critiques de la partie Protocole sont les suivantes : étape 1.4 - Construire et emballer les quatre types de molécules d’asphalte ; étape 1.5 - Construire la structure d’asphalte avec la fissure; étape 2.3 - Atteindre l’équilibre; étape 2.4 - Effectuez le processus d’auto-guérison. Ces étapes indiquent le contenu le plus cohérent et le plus important du protocole. Pour créer les formes souhaitées de la fissure insérée, le processus d’emballage est modifié par rapport à l’emballage normal dans Materials Studio....

<table><tbody><tr><td>Modèles atomistiques d’asphalte et de graphène/Materials Studio</td><td>BIOVIA</td><td>Materials Studio 8.0</td><td>Les modèles atomistiques sont conçus pour les simulations de dynamique moléculaire.</td></tr><tr><td>Ensemble de simulateur atomique/moléculaire massivement parallèle à grande échelle Sandia</td><td>National Laboratories</td><td>lammps-stable20</td><td>L’équilibre est atteint sous l’ensemble NPT, et les modèles atomistiques s’auto-réparent.</td></tr><tr><td>OVITO</td><td>Département de science des matériaux de la Technische Universit&auml ; t Darmstadt, Allemagne</td><td>ovito-basic-3.1.0-win64</td><td>Les comportements d’auto-guérison des modèles atomistiques sont visualisés.</td></tr><tr><td>Origin</td><td>OriginLab</td><td>Origin 2018 64Bit</td><td>Les contours des numéros d’atomes de la trajectoire sont dessinés et analysés.</td></tr></tbody></table>

asphalte auto-cicatrisant avancé renforcé par des structures en graphène: un aperçu atomistique

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

Le graphène peut améliorer les propriétés d’auto-guérison de l’asphalte avec une grande durabilité. Cependant, les comportements d’auto-guérison des nanocomposites d’asphalte modifiés au graphène et le rôle du graphène incorporé ne sont pas encore clairs à ce stade. Dans cette étude, les propriétés d’auto-guérison de l’asphalte pur et de l’asphalte modifié au graphène sont étudiées par des simulations de dynamique moléculaire. Des vracs d’asphalte avec deux largeurs de fissures et des emplacements pour le graphène sont introduits, et les interactions moléculaires entre les composants de l’asphalte et la feuille de graphène sont analysées. Les résultats montrent que l’emplacement du graphène affecte de manière significative les comportements d’auto-guérison de l’asphalte. Le graphène près de la surface de la fissure peut accélérer considérablement le processus d’auto-guérison en interagissant avec les molécules aromatiques par empilement π π, tandis que le graphène dans la zone supérieure de la pointe de la fissure a un impact mineur sur le processus. Le processus d’auto-guérison de l’asphalte passe par la réorientation des molécules aromatiques d’asphaltène, d’aromatique polaire et de naphtène, et par le pontage des molécules saturées entre les surfaces de fissures. Cette compréhension approfondie du mécanisme d’auto-guérison contribue à la connaissance de l’amélioration des propriétés d’auto-guérison, ce qui aidera à développer des chaussées d’asphalte durables.

Le contour du nombre d’atomes Les contours du nombre d’atomes des modèles d’asphalte pur et d’asphalte modifié au graphène dans le plan yz sont illustrés à la figure 3, où la barre de couleur du bleu au rouge présente un nombre d’atomes variant de 0 à 28. La figure 3a-c illustre le contour du nombre d’atomes des structures avec une largeur de fissure de 15 Å dans l’asphalte pur et les nanocomposites d’asphalt...

Le nanocomposite d’asphalte modifié au graphène a montré une capacité d’auto-guérison avancée par rapport à l’asphalte pur. Dans ce protocole, des simulations de dynamique moléculaire ont été appliquées afin de comprendre le rôle du graphène dans le processus d’auto-guérison et d’explorer le mécanisme d’auto-guérison des composants de l’asphalte au niveau atomistique.

Asphalte auto-cicatrisant avancé renforcé par des structures en graphène: un aperçu atomistique

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

Cette méthode peut aider à répondre à l’auto-guérison des fissures entières dans l’asphalte à base de nano composites, et comment le graphite peut améliorer la capacité des asphaltes. Cette technique peut analyser les comportements matériels qui ne peuvent pas être évalués facilement par des expériences, et peut fournir les informations sous-jacentes sur le mécanisme d’auto-guérison au niveau atomistique. Cette méthode pourrait fournir des informations sur la physique fondamentale de l’évolution dynamique dans divers systèmes matériels, y compris les systèmes inorgi-inorganiques et les interfaces connexes, ou même regarder les électromolécules.Si vous n’êtes pas familier avec cette technique, il faut comprendre la théorie de base des simulations dynamiques de molécules et comprendre la signification de base de chaque commande avant d’effectuer des simulations. Pour commencer, ouvrez le logiciel Material Studio, puis créez un document atomistique tridimensionnel pour la graphine et construisez le modèle de graphine à l’aide de l’option d’esquisse d’atome. Après avoir importé le fichier MSI de points de graphite dans Material Studio, dans le menu de génération sous symétrie, construisez la structure finale à l’aide de l’option super cellule.Définissez la taille de la feuille de graphine comme 40 par 40 angstroms, ce qui est plus grand que les chaînes d’asphalte dans la largeur de la fissure. Ensuite, pour construire et emballer les quatre types de molécules d’asphalte, créez séparément les documents atomistiques tridimensionnels pour l’asphaltène, les aromatiques polaires, les aromatiques de napthène et les saturés. Ensuite, en utilisant l’option d’esquisse d’atome, dessinez les structures moléculaires de ces molécules.Ensuite, en utilisant l’option de calcul du menu de cellules amorphes sous les modules, emballez ces quatre types de molécules d’asphalte dans la boîte de simulation. Ensuite, pour construire la structure d’asphalte avec la fissure, réglez la hauteur de la zone de fissure dans la dimension X, identique à la hauteur de la boîte de 70 angstroms, et réglez la profondeur de la zone de fissure dans la dimension Y à la moitié de la hauteur de la boîte comme 35 angstroms. Définissez deux cas des largeurs de fissure dans la dimension Z de 15 et 35 angstroms.Ensuite, en utilisant l’option de suppression, supprimez les molécules redondantes dans les zones de fissure de la zone médiane du vrac d’asphalte et maintenez la matrice d’asphalte dans la zone du milieu vers le haut inchangée. Pour atteindre l’équilibre, placez l’ensemble de la boîte de simulation complètement détendu après 500 picosecondes sous l’ensemble isobare isotherme avec une température de 300 Kelvin sous une pression de 1 atmosphère. Ensuite, à l’aide de la commande thermique, équilibrez le volume d’asphalte à la valeur de densité souhaitée des mesures expérimentales en examinant en permanence les valeurs de température, de pression, de densité et d’énergie.Vérifiez la convergence de l’énergie potentielle dans le déplacement moyen au carré dans l’ensemble du système pour atteindre l’état complètement détendu. Ensuite, pour effectuer le processus d’auto-guérison, placez l’ensemble de la boîte de simulation sous l’ensemble isobare isotherme avec une température de 300 Kelvin et une pression de 1 atmosphère. Ensuite, supprimez la contrainte des molécules d’asphalte sur le contour de la zone de fissure.Suivez et enregistrez la taille de la boîte de simulation dans les coordonnées des atomes. Ensuite, utilisez la commande dump pour le post-traitement. Enfin, faites la moyenne des résultats de simulation pendant le processus d’auto-guérison sur 3 configurations indépendantes avec 3 graines de vitesse initiale différentes pour réduire les erreurs aléatoires.Pour visualiser les comportements d’auto-réparation et la progression de la simulation, ouvrez l’outil de visualisation ouvert OVITO"puis, ouvrez les fichiers de trajectoire au format LAMMPS TRJ générés par LAMMPS. Enregistrez les instantanés du processus d’auto-guérison, puis, à l’aide de la commande render, suivez les trajectoires des molécules d’asphalte. Ensuite, pour analyser le contour du nombre d’atomes, exportez les coordonnées des atomes des fichiers de trajectoire vers le logiciel d’analyse de données et de représentation graphique.Projetez les coordonnées des atomes dans l’ensemble du système sur le plan YZ, puis enregistrez le nombre d’atomes à différentes zones du plan YZ et tracez le contour avec différentes couleurs. Ensuite, analysez la mobilité des atomes de différents composants d’asphalte en calculant le déplacement moyen au carré à l’aide de la commande compute MSD. Ensuite, à l’aide de la commande RDF de calcul et de LAMMPS, calculez les positions relatives entre les molécules de graphine et d’asphalte par le facteur de distribution radiale, ou courbes RDF, pour les systèmes d’asphalte modifiés par graphique avec les largeurs de fissure angstrom 15 et 35.Enfin, dessinez les courbes RDF pour vérifier comment la densité de l’asphalte varie en fonction de la distance par rapport à la feuille de graphine. Pour l’asphalte pur, l’auto-guérison complète se produit après 300 picosecondes. La zone de fissure diminue fortement à 50, disparaît presque à 200 picosecondes.L’insertion de la graphine à gauche de la surface de la fissure peut accélérer considérablement le processus d’auto-guérison. La période de guérison se raccourcit à 200 picosecondes, la largeur de la fissure diminuant considérablement à 20 et disparaissant presque à environ 150 picosecondes. Les comportements d’auto-guérison se sont considérablement améliorés lorsque la feuille de graphine est à la surface de la fissure gauche.Lorsque la graphine est placée à la surface de la fissure gauche, les mobilités des aromatiques polaires, des aromatiques de napthène et de la graphine se sont considérablement améliorées par rapport à celles de l’asphalte pur. Les valeurs RDF entre la graphine à la surface de la fissure gauche dans les composants de l’asphalte pour le modèle de largeur de fissure de 15 angstrom montrent que les molécules aromatiques et l’asphalte se rapprochent de la feuille de graphine, en particulier les molécules aromatiques polaires et les molécules aromatiques de napthene. Où les valeurs RDF du modèle de largeur de fissure d’angstrom de 35 au-delà de 4 angstroms sont plus évidentes que celles du modèle de largeur de fissure d’angstrom de 15 parce que l’asphaltite a plus d’espace pour diffuser et se déplacer vers la graphine dans la plus grande zone de fissure.Il est très important de fixer une fissure raisonnable dans le modèle d’asphalte tout en s’assurant qu’une fissure est bien entretenue et que le système est entièrement équilibré. La modélisation du grain de coût peut être effectuée sur la base de cette procédure pour embrasser une gamme plus large d’échelles de longueur, et plus loin est apportée, l’auto-guérison de la fissure dans l’asphalte à différentes échelles. Cette technique permet de surveiller et d’optimiser la structure moléculaire des nanocharges avec une conception spéciale, telle que les défauts, la photostructure et les groupes fonctionnels pour une amélioration avancée des nanocomposites à base d’asphalte.

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