Asfalto auto-riparante avanzato rinforzato da strutture di grafene: un'intuizione atomistica

Questo metodo può aiutare a rispondere alle intere crepe che si auto-guariscono nei nano compositi basati sull'asfalto e su come la grafite può migliorare la capacità degli asfalti. Questa tecnica può analizzare i comportamenti materiali che non possono essere valutati facilmente dagli esperimenti e può fornire le informazioni sottostanti sul meccanismo di auto-guarigione a livello atomistico. Questo metodo potrebbe fornire approfondimenti sulla fisica fondamentale dell'evoluzione dinamica in vari sistemi materiali, compresi i sistemi inorganici inorgi e le relative interfacce, o anche guardare alle elettromolecole.

Se non si ha familiarità con questa tecnica, si dovrebbe comprendere la teoria di base delle simulazioni dinamiche molecolari e capire il significato di base di ciascun comando prima di eseguire qualsiasi simulazione. Per iniziare ad aprire il software material studio, quindi creare un documento atomistico tridimensionale per la grafina e costruire il modello di grafina utilizzando l'opzione sketch atom. Dopo aver importato il file MSI del punto di grafite in material studio, nel menu build sotto simmetria, costruisci la struttura finale usando l'opzione super cella.

Definire la dimensione del foglio di grafina come 40 per 40 angstrom, che è più grande delle catene di asfalto nella larghezza della fessura. Successivamente, per costruire e imballare i quattro tipi di molecole di asfalto, creare separatamente i documenti atomistici tridimensionali per asfaltene, aromatici polari, aromatici di naftene e saturi. Quindi, utilizzando l'opzione sketch atom, disegna le strutture molecolari di queste molecole.

Successivamente, utilizzando l'opzione di calcolo dal menu della cella amorfa sotto i moduli, imballare questi quattro tipi di molecole di asfalto nella scatola di simulazione. Quindi, per costruire la struttura dell'asfalto con la fessura, impostare l'altezza della zona di fessura nella dimensione X, uguale all'altezza della scatola di 70 angstrom, e impostare la profondità della zona di fessura nella dimensione Y a metà dell'altezza della scatola come 35 angstrom. Impostare due casi delle larghezze di fessura nella dimensione Z di 15 e 35 angstrom.

Quindi, utilizzando l'opzione di eliminazione, eliminare le molecole ridondanti nelle zone di fessura dell'area centrale verso il basso dell'asfalto sfuso e mantenere invariata la matrice di asfalto nell'area centrale verso l'alto. Per raggiungere l'equilibrio, posizionare l'intera scatola di simulazione completamente rilassata dopo 500 picosecondi sotto l'insieme isotermico isotermico con una temperatura di 300 Kelvin in pressione di 1 atmosfera. Quindi, utilizzando il comando termico, equilibrare la massa di asfalto al valore di densità desiderato delle misurazioni sperimentali esaminando continuamente i valori di temperatura, pressione, densità ed energia.

Controllare la convergenza dell'energia potenziale nello spostamento quadrato medio nell'intero sistema per raggiungere lo stato completamente rilassato. Successivamente, per eseguire il processo di auto-guarigione, impostare l'intera scatola di simulazione sotto l'insieme isotermico isotermico con una temperatura di 300 Kelvin e una pressione di 1 atmosfera. Quindi, rimuovere il vincolo delle molecole di asfalto sul contorno della zona di fessura.

Traccia e registra le dimensioni della scatola di simulazione nelle coordinate degli atomi. Quindi, utilizzare il comando dump per la post-elaborazione. Infine, media i risultati della simulazione durante il processo di auto-guarigione su 3 configurazioni indipendenti con 3 diversi semi di velocità iniziale per ridurre gli errori casuali.

Per visualizzare i comportamenti di auto-guarigione e l'avanzamento della simulazione, aprire lo strumento di visualizzazione aperto OVITO, quindi aprire i file di traiettoria nel formato LAMMPS TRJ generato da LAMMPS. Registra le istantanee del processo di auto-guarigione, quindi, utilizzando il comando render, traccia i percorsi delle molecole di asfalto. Successivamente, per analizzare il contorno del numero di atomi, esportare le coordinate degli atomi dai file di traiettoria al software di analisi dei dati e grafico.

Proietta le coordinate degli atomi nell'intero sistema sul piano YZ, quindi registra i numeri degli atomi in diverse aree del piano YZ e traccia il contorno con colori diversi. Successivamente, analizzare la mobilità atomica di diversi componenti dell'asfalto calcolando lo spostamento quadrato medio utilizzando il comando compute MSD. Quindi, utilizzando il comando di calcolo RDF e LAMMPS, calcolare le posizioni relative tra le molecole di grafina e asfalto dal fattore di distribuzione radiale, o curve RDF, per i sistemi di asfalto modificati grafici con le larghezze di fessura di angstrom 15 e 35.

Infine, disegna le curve RDF per verificare come varia la densità dell'asfalto in funzione della distanza dal foglio di grafina. Per l'asfalto puro, la completa autoguarigione avviene dopo 300 picosecondi. La zona di crack diminuisce bruscamente a 50, quasi scompare a 200 picosecondi.

L'inserimento della grafina a sinistra della superficie della fessura può accelerare significativamente il processo di auto-guarigione. Il periodo di guarigione si accorcia a 200 picosecondi, con la larghezza della fessura che diminuisce significativamente a 20 e quasi scompare a circa 150 picosecondi. I comportamenti di auto-guarigione sono migliorati significativamente quando il foglio di grafina si trova sulla superficie sinistra della fessura.

Quando la grafina viene posizionata sulla superficie sinistra della fessura, la mobilità degli aromatici polari, degli aromatici del naftene e della grafina migliora significativamente rispetto a quella dell'asfalto puro. I valori di CDR tra la grafina sulla superficie sinistra della fessura nei componenti dell'asfalto per il modello di larghezza della fessura di 15 angstrom mostrano che le molecole aromatiche e l'asfalto si avvicinano al foglio di grafina, in particolare le molecole aromatiche polari e le molecole aromatiche di naftene. Dove i valori di RDF del modello di larghezza della fessura di 35 angstrom oltre i 4 angstrom sono più evidenti di quelli del modello di larghezza della fessura di 15 angstrom perché l'asfaltite ha più spazio per diffondersi e spostarsi verso la grafina nella zona di fessura più grande.

È molto importante impostare una fessura ragionevole nel modello di asfalto, assicurando al contempo che una fessura sia ben tenuta e che il sistema sia completamente bilanciato. La modellazione del grano dei costi può essere eseguita sulla base di questa procedura per abbracciare una gamma più ampia di scala di lunghezza, e inoltre viene portata, l'autoguarigione della fessura nell'asfalto a diverse scale. Questa tecnica può monitorare e ottimizzare la struttura molecolare dei nano filler con un design speciale, come difetti, fotostruttura e gruppi funzionali per il miglioramento avanzato dei nano compositi a base di asfalto.