Name: グラフェン改質アスファルトナノコンポジット - JoVEジャーナル
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: 本研究は分子動力学シミュレーションを用いてグラフェン改質アスファルトナノコンポジットの自己修復能力を探ります。

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著者らは、香港城市大学戦略研究助成金のプロジェクトNo.7005547、プロジェクトNo.による中国香港特別行政区の研究助成金評議会(RGC)からの支援に感謝する。R5007-18、およびJCYJ20170818103206501の助成金の下で深セン科学技術イノベーション委員会からの支援。

1. 原子論的モデルを構築する
<ol><li>Materials Studio ソフトウェアを開いて 5 つの 3D 原子論的ドキュメントを作成し、これらのドキュメントの名前をそれぞれグラフェン、アスファルテン、極性芳香族化合物、ナフテン芳香族化合物、飽和物に変更します。</li>
	<li>グラフェンモデルを構築するには、3D原子論的文書にグラフェンシートの単位セルを作成し 、「Sketch Atom」 オプションを使用します。</li>
	<li>[>対称性の構築]メニューの[スーパーセル]オプションを使用して、最終的な構造 を構築し ます。グラフェンシートのサイズを40 Å x 40 Åと定義し、アスファルトチェーンと亀裂幅よりも大きくなります。</li>
	<li>4種類のアスファルト分子を構築してパックします。<ol>
<li>「原子をスケッチ」オプションを使用して、アスファルテン、極性芳香族化合物、ナフテン芳香族化合物、飽和物の分子構造を別々に描画します。</li>
		<li>4種類のアスファルト分子をシミュレーションボックスにパックし、[ モジュール]>[アモルファスセル] メニューの[計算]オプションを使用します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>亀裂のあるアスファルト構造を構築します。<ol>
<li>x 次元の亀裂ゾーンの高さをボックスの高さと同じ 70 Å に設定し、y 次元の亀裂ゾーンの深さをボックスの高さの半分に 35 Å に設定します。</li>
		<li>亀裂幅の 2 つのケースを z 次元の 15 Å と 35 Å に設定します。[削除]オプションを使用してアスファルトバルクのミドルダウン領域の亀裂ゾーンの冗長分子 を削除し 、中間領域のアスファルトマトリックスを変更しないままにします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>亀裂のあるグラフェン改質アスファルト構造を構築します。パッキングステップの前に、 コピー+ペースト コマンドを使用して、グラフェンシートを亀裂先端の上部領域と左側の亀裂表面に別々に組み込みます。</li>
	<li>表1にリストされている最終組成に基づいてアスファルト分子をシミュレーションボックスに詰め込み、グラフェン改質アスファルト構造を構築した。</li>
	<li>ストラクチャーファイルをデータファイルに変換します。構造ファイルを分子ファイルとして保存し、構造情報(*.carおよび*.mdf)をマテリアルズスタジオから入手します。大規模原子/分子超並列シミュレータ(LAMMPS)55 パッケージのmsi2lmpツールを使用して、分子ファイル(*.carおよび*.mdf)をデータファイルに変換します。LAMMPS の read_data コマンドでデータ・ファイルを読み取ります。</li>
</ol>2. シミュレーションの実行
<ol><li>シミュレーションのパラメータを定義します。<ol>
<li>実行されたシミュレーションの精度と効率のバランスを考慮して、入力ファイルでタイムステップを 1 fs に設定します。</li>
		<li>非結合交互作用のカットオフ距離を 12 Å に設定します。これは、周期境界条件と計算効率を考慮して、シミュレーション ボックスの長さの半分未満です。</li>
		<li>粒子-粒子-メッシュ(PPPM)アルゴリズムを使用して長距離クーロン相互作用を記述し、長距離ソルバーによって計算された原子単位の力の相対誤差を高精度に設定する。</li>
	</ol>
</li>
	<li>亀裂のプロファイルを修正します。LAMMPSの分子グループコマンドでプロファイル上のアスファル ト分子 を選択します。LAMMPSの [スプリング/セルフを修正] コマンドを使用してアスファルト分子に拘束を適用し、アスファルト分子の動きを回避します。</li>
	<li>均衡を達成する<ol>
<li>シミュレーションボックス全体を、温度300K、圧力1気圧の等温等圧(NPT)アンサンブルの下で500ps後に完全にリラックスさせてください。</li>
		<li>熱コマンドを使用して温度、圧力、密度、およびエネルギー値を連続的に調べることによって、アスファルトバルクを実験測定値41の所望の密度値0.95〜1.05g/cm3 に平衡化させる。</li>
		<li>完全にリラックスした状態を達成するために、システム全体の位置エネルギーの収束と平均二乗変位(MSD)を確認してください。</li>
	</ol>
</li>
	<li>自己修復プロセスを実行します。<ol>
<li>シミュレーションボックス全体をNPTアンサンブルの下に温度300K、圧力1気圧に設定します。</li>
		<li>亀裂帯の輪郭上のアスファルト分子の拘束を除去する。</li>
		<li>シミュレーション ボックスのサイズと原子の座標を追跡および記録し、後処理に Dump コマンドを使用します。</li>
		<li>ランダム誤差を減らすために、3つの異なる初速度シードを持つ3つの独立した構成で自己修復プロセス中のシミュレーション結果を平均化します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 後処理
<ol><li>自己修復行動を視覚化する。[視覚化ツールを開く] OVITO56 を開いてシミュレーションの進行状況を視覚化し、LAMMPS55 によって生成された lammpstrj 形式の軌跡ファイルを開きます。自己修復プロセスのスナップショットを記録し、 Render コマンドを使用してアスファルト分子の経路を追跡します。</li>
	<li>原子番号の輪郭を解析する。LAMMPSから出力された軌道ファイルから原子の座標をデータ解析・グラフ作成ソフトにエクスポートします。系全体の原子の座標をyz平面に投影します。yz平面のさまざまな領域で原子番号を記録し、さまざまな色で輪郭をプロットします。</li>
	<li>原子の移動度と相対位置を解析する。<ol>
<li>異なるアスファルト成分の原子移動度を平均二乗変位 (MSD) で解析するには、[ msd を計算] コマンドを使用します。</li>
		<li>LAMMPSの Compute rdfコマンドを使用して、15 Å および 35 Å の亀裂幅を持つグラフェン改質アスファルトシステムのシステムの放射状分布関数 (RDF) 曲線によって、グラフェンとアスファルト分子の間の相対位置を計算します。</li>
		<li>RDF曲線を描画して、アスファルトの密度がグラフェンシートからの距離の関数としてどのように変化するかを確認します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

著者は宣言する利益相反を持っていません。

プロトコル部分内の重要なステップは次のとおりです:ステップ1.4 - 4種類のアスファルト分子を構築してパックします。ステップ1.5 - 亀裂のあるアスファルト構造を構築する。ステップ2.3 - 均衡を達成する。ステップ2.4 - 自己修復プロセスを実行します。これらの手順は、プロトコルの最もまとまりのある重要な内容を示します。挿入された亀裂の所望の形状を作成するために、Materials Studio の通常の梱包と比較して、保圧プロセスが変更されます。亀裂形状が作成され、シミュレーションボックス内に充填され、アスファルト分子がシミュレーションボックスの他の部分に充填されます。その後、作成された亀裂輪郭の周りの冗長なアスファルト分子が除去される。MDシミュレーションの限界は、シミュレーションを秒とメートルまで解析できる有限要素法などの従来の方法と比較して、時間スケールと長さスケールがナノ秒とナノメートルのオーダーで比較的小さいことです57。この方法の意義は、従来のアプローチではアクセスしにくいナノ構造の進化、分子相互作用、運動を捉えることで、アスファルトやグラフェン修飾アスファルトの自己...

<table><tbody><tr><td>アスファルトとグラフェンの原子モデル/Materials Studio</td><td>BIOVIA</td><td>Materials Studio 8.0</td><td>原子モデルは、分子動力学シミュレーション用に構築されています。</td></tr><tr><td>大規模原子/分子超並列シミュレータパッケージ</td><td>サンディア国立研究所</td><td>lammps-stable20</td><td>NPTアンサンブルの下で平衡が達成され、原子モデルは自己修復されます。</td></tr><tr><td></td><td>OBITO工科大学物質科学部&auml;t ダルムシュタット、ドイツ</td><td>ovito-basic-3.1.0-win64</td><td>原子モデルの自己修復動作を視覚化します。</td></tr><tr><td>Origin</td><td>OriginLab</td><td>Origin 2018 64Bit</td><td>軌道の原子番号の輪郭を描画し、分析します。</td></tr></tbody></table>

グラフェン構造によって強化された高度な自己修復アスファルト:原子論的洞察

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

グラフェンは、高い耐久性でアスファルトの自己治癒特性を向上させることができます。しかしながら、グラフェン修飾アスファルトナノコンポジットの自己修復挙動および組み込まれたグラフェンの役割は、この段階ではまだ不明である。本研究では、純粋なアスファルトとグラフェン改質アスファルトの自己治癒特性を分子動力学シミュレーションにより検討する。グラフェンの亀裂幅と位置が2つのアスファルトバルクを導入し、アスファルト成分とグラフェンシートの分子間相互作用を解析します。結果は、グラフェンの位置がアスファルトの自己治癒挙動に有意に影響することを示している。亀裂表面近くのグラフェンは、π πの積層を介して芳香分子と相互作用することによって自己修復プロセスを大幅に加速することができるが、亀裂先端の上部領域のグラフェンはプロセスに軽微な影響を与える。アスファルトの自己修復プロセスは、アスファルテン、極性芳香族、およびナフテン芳香族分子の再配向、および亀裂表面間の飽和分子の架橋を経る。この自己治癒メカニズムの深い理解は、自己治癒特性の強化の知識に貢献し、耐久性のあるアスファルト舗装の開発に役立ちます。

原子番号の輪郭 yz平面における純粋なアスファルトおよびグラフェン改質アスファルトモデルの原子番号の輪郭を 図3に示し、青色から赤色までのカラーバーは0〜28の範囲で変化する原子番号を示す。 図3a−c は、亀裂先端および亀裂表面におけるグラフェンによって修飾された純粋なアスファルトおよびアスファルトナノ複合材料における15Å亀裂幅を有する構造の原子番号の輪郭を示す。純粋なアスファルトの場合、完全な治癒は約300ps後に起こる。自己修復作用は、亀裂先端の周囲が50ps後に青色の溶融鈍い形状になり、いくつかのアスファルト分子が亀裂先端の中央にある2つの亀裂表面を架橋するため、亀裂先端の領域から始まる。輪郭の緑色はバルクアスファルトを示しており、これは亀裂ゾーンが完全に自己修復する段階です。約100psでは、亀裂ゾーンは小さな空隙を残してほぼ閉じており、最初の亀裂表面の色は緑色に変化し、これは自己修復プロセスがこれら...

グラフェン改質アスファルトナノコンポジットは、純粋なアスファルトと比較して高度な自己治癒能力を示している。このプロトコルでは、自己修復プロセスにおけるグラフェンの役割を理解し、アスファルト成分の自己治癒メカニズムを原子レベルから探求するために、分子動力学シミュレーションが適用されています。

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

この方法は、ナノ複合材料に基づくアスファルト中の亀裂全体の自己治癒、およびグラファイトがアスファルトの能力をどのように改善できるかに答えるのに役立ちます。この技術は、実験では容易に評価できない物質的な挙動を解析することができ、自己修復機構に関する基礎となる情報を原子レベルで提供することができる。この方法は、無組織無機系および関連する界面を含む様々な物質系における動的進化の基本的な物理学への洞察を提供し、さらには電気分子を見つめることさえできる。この手法に慣れていない場合は、シミュレーションを実行する前に、分子動的シミュレーションの基本理論を理解し、各コマンドの基本的な意味を理解する必要があります。マテリアルスタジオソフトウェアを開き、グラフィン用の3次元原子論的文書を作成し、スケッチ原子オプションを使用してグラフィンモデルを構築します。グラファイトドットMSIファイルをマテリアルスタジオにインポートした後、対称の下のビルドメニューで、スーパーセルオプションを使用して最終構造を構築します。グラフィンシートのサイズを40 x 40オングストロームと定義し、亀裂幅のアスファルトチェーンよりも大きくなります。次に、4種類のアスファルト分子を構築してパックするために、アスファルテン、極性芳香族化合物、ナプテン芳香族化合物、飽和物の3次元原子論文書を別々に作成します。次に、スケッチ原子オプションを使用して、これらの分子の分子構造を描画します。次に、モジュール下のアモルファスセルメニューから計算オプションを使用して、これら4種類のアスファルト分子をシミュレーションボックスに詰めます。そして、亀裂のあるアスファルト構造を構築するために、亀裂ゾーンの高さをX次元に設定し、70オングストロームの箱の高さと同じにし、Y次元の亀裂ゾーンの深さを箱の高さの半分に35オングストロームとして設定した。亀裂幅の 2 つのケースを Z 次元の 15 オングストロームと 35 オングストロームに設定します。次に、削除オプションを使用して、アスファルトバルクの中間ダウン領域の亀裂領域の冗長分子を削除し、中間アップ領域のアスファルトマトリックスを変更しないでおきます。平衡を達成するには、シミュレーションボックス全体を500ピコ秒後に完全に弛緩させた等温等圧アンサンブルの下に、1気圧の圧力で温度300ケルビンで配置します。次に、熱コマンドを使用して、温度、圧力、密度、およびエネルギー値を連続的に調べることによって、アスファルトバルクを実験測定値の所望の密度値に平衡化します。完全に緩和された状態を達成するために、システム全体の平均二乗変位における位置エネルギーの収束を確認してください。次に、自己修復プロセスを実行するために、シミュレーションボックス全体を温度300ケルビン、圧力1気圧の等温等圧アンサンブルの下に設定します。次いで、亀裂帯の輪郭上のアスファルト分子の拘束を除去する。原子の座標でシミュレーションボックスのサイズを追跡して記録します。次に、dump コマンドを使用して後処理を行います。最後に、3つの異なる初期速度シードを持つ3つの独立した構成で自己修復プロセス中のシミュレーション結果を平均して、ランダムエラーを減らします。自己修復動作とシミュレーションの進行状況を視覚化するには、可視化ツールOVITOを開き、「LAMMPSによって生成されたLAMMPS TRJ形式の軌道ファイルを開きます。自己修復プロセスのスナップショットを記録し、render コマンドを使用してアスファルト分子のパスを追跡します。次に、原子番号の輪郭を解析するには、原子の座標を軌道ファイルからデータ解析・グラフ作成ソフトにエクスポートします。システム全体の原子の座標をYZ平面に投影し、YZ平面のさまざまな領域の原子番号を記録し、異なる色で輪郭をプロットします。次に、MSD の計算コマンドを使用して平均二乗変位を計算して、さまざまなアスファルト成分の原子移動度を分析します。次に、計算RDFコマンドとLAMMPSを使用して、15オングストロームおよび35オングストローム亀裂幅を有する改質アスファルトシステムをグラフ化するについて、放射状分布係数(RDF曲線)によってグラフィンとアスファルト分子間の相対位置を計算する。最後に、RDF曲線を描画して、アスファルトの密度がグラフィンシートからの距離の関数としてどのように変化するかを確認します。純粋なアスファルトの場合、完全な自己治癒は300ピコ秒後に起こります。亀裂ゾーンは50で急激に減少し、200ピコ秒でほとんど消えます。亀裂表面の左側にグラフィンを挿入すると、自己修復プロセスが大幅に加速する可能性があります。治癒期間は200ピコ秒に短縮され、亀裂幅は20で大幅に減少し、約150ピコ秒でほぼ消滅する。この自己修復挙動は、グラフィンシートが左亀裂表面にあるときに著しく改善された。グラフィンを左側の亀裂表面に配置すると、極性芳香族化合物、ナプテン芳香族化合物、およびグラフィンの移動度は、純粋なアスファルトのそれと比較して有意に改善された。15オングストローム亀裂幅モデルにおけるアスファルト成分の左亀裂表面におけるグラフィン間のRDF値は、芳香族分子およびアスファルトがグラフィンシート、特に極性芳香族分子およびナプテン芳香族分子に近づくことを示している。35オングストロームの亀裂幅モデルのRDF値が4オングストロームを超える場合、アスファルタイトは拡散してより大きな亀裂ゾーンのグラフィンに向かって移動するスペースが多いため、15オングストロームの亀裂幅モデルのRDF値よりも明白です。アスファルトモデルに合理的な亀裂を設定し、亀裂が良好に保たれ、システムが完全に平衡化されていることを確認することは非常に重要です。コストグレインモデリングは、より広い範囲の長さスケールを受け入れるためにこの手順に基づいて実行することができ、さらに、異なるスケールでのアスファルトの亀裂の自己修復ももたらされる。この技術は、アスファルトベースのナノ複合材料の高度な改善のための欠陥、写真構造および官能基などの特別な設計でナノフィラーの分子構造を監視および最適化することができる。

advanced-self-healing-asphalt-reinforced-graphene-structures-an

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

グラフェンは、生物医学インプラントのコーティング材料としての可能性を秘めています。本研究では、グラフェンのナノメートル厚さの層でコーティングニチノール合金のための方法を示し、グラフェンは、インプラントの応答に影響を与える可能性がある方法を決定します。...

メディカルインプラントのグラフェンコーティング

このビデオ手法は、高表面積のモノリシック3Dグラフェンベースの材料と、ポリマー前駆体に由来する単層酸化グラフェンの合成について説明しています。...

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プロシージャ連続化学修飾を用いたポリスチレンをグラフトした多層カーボンナノ...

ポリスチレン自己組織を有効にして異方的不均一性と多層カーボンナノ チューブを移植

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C60/Graphene ハイブリッド ナノ構造の作製と評価

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三次元グラフェンを用いた多面体を介して折り紙のような自己折りたたみの作製

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末梢神経工学のためのグラフェンベースの3Dバイオハイブリッドヒドロゲルバイオインクの調製と特性評価

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骨組織工学における潜在的な使用のためのグラフェン - ハイドロキシアパタイトナノコンポジットの合成

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高品質グラフェン系モアレ超格子デバイスの作製法の最適化

本研究は分子動力学シミュレーションを用いてグラフェン改質アスファルトナノコンポジットの自己修復能力を探ります。

グラフェン構造によって強化された高度な自己修復アスファルト:原子論的洞察

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