그래핀 변성 아스팔트 나노복합체는 순수 아스팔트에 비해 진보된 자기치유능을 나타내었다. 이 프로토콜에서는 자기 치유 과정에서 그래핀의 역할을 이해하고 원자 수준에서 아스팔트 성분의 자기 치유 메커니즘을 탐구하기 위해 분자 역학 시뮬레이션이 적용되었습니다.
이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.
방법 논문
그래핀 구조에 의해 강화 된 고급 자기 치유 아스팔트 : 원자 론적 통찰력
* These authors contributed equally
이 논문에서
요약
초록
그래 핀은 높은 내구성으로 아스팔트의 자체 치유 특성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 그래핀 개질된 아스팔트 나노복합체의 자가 치유 거동과 혼입된 그래핀의 역할은 이 단계에서 여전히 불분명하다. 이 연구에서는 순수 아스팔트와 그래핀 개질 아스팔트의 자가 치유 특성을 분자 역학 시뮬레이션을 통해 조사합니다. 그래핀에 대한 두 개의 균열 폭과 위치를 가진 아스팔트 벌크가 도입되고 아스팔트 성분과 그래핀 시트 간의 분자 상호 작용이 분석됩니다. 결과는 그래핀의 위치가 아스팔트의 자기 치유 행동에 유의한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 균열 표면 근처의 그래핀은 π-π 스태킹을 통해 방향족 분자와 상호 작용하여 자기 치유 과정을 크게 가속화 할 수 있지만 균열 팁의 상단 영역에있는 그래핀은 공정에 작은 영향을 미칩니다. 아스팔트의 자체 치유 과정은 아스팔텐, 극성 방향족 및 나프텐 방향족 분자의 재방향과 균열 표면 사이의 포화 분자의 가교를 거칩니다. 자가 치유 메커니즘에 대한 이러한 심층적 인 이해는 내구성있는 아스팔트 포장 도로를 개발하는 데 도움이되는 자기 치유 특성 향상에 대한 지식에 기여합니다.
서론
일상적인 차량 적재 및 변형 환경 조건 하에서의 열화와 서비스 중 아스팔트의 노화는 열화 또는 구조적 고장, 즉 균열 및 까마귀를 초래하여 아스팔트 포장의 내구성을 더욱 약화시킬 수 있습니다. 미세 균열과 공극을 자동으로 수리하는 아스팔트의 고유 한 반응은 손상으로부터 회복하고 강도를 회복하는 데 도움이됩니다1. 이 자가 치유 기능은 아스팔트의 수명을 상당히 연장하고 유지 보수 비용을 절감하며 온실 가스 배출을 줄일 수 있습니다 2,3. 아스팔트의 자기 치유 거동은 일반적으로 화학 성분, 손상 정도 및 환경 조건을 포함한 몇 가지 영향 요인에 달려 있습니다4. 단기간 내에 손상을 완전히 치유 할 수있는 아스팔트의 향상된 자기 치유 능력이 필요합니다. 이것은 토목 공학 내에서 아스팔트 포장에 대한 더 나은 기계적 성능과 내구성에 대한 광범위한 연구 관심을 끌었습니다.
아스팔트의 자기 치유 능력을 향상시키는 새로운 방법에는 주로 개별적으로 또는 동시에 적용 할 수있는 가열 유도, 캡슐화 치유 및 나노 물질 통합의 세 가지 접근법이 포함됩니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
프로토콜
1. 원자 모델 구축
- Materials Studio 소프트웨어를 열어 다섯 개의 3D 원자 문서를 만들고 이러한 문서의 이름을 각각 그래핀, 아스팔텐, 극성 방향족, 나프텐 방향족제 및 포화로 바꿉니다.
- 스케치 원자( Sketch Atom ) 옵션을 사용하여 3D 원자 문서에서 그래핀 시트의 단위 셀을 생성하여 그래핀 모델을 빌드합니다.
- 빌드 > 대칭 메뉴의 Supercell 옵션을 사용하여 최종 구조를 구성합니다. 그래핀 시트의 크기를 아스팔트 체인 및 균열 폭보다 큰 40 Å x 40 Å로 정의하십시오.
- 네 가지 유형의 아스팔트 분자를 만들고 포장하십시오.
- 스케치 원자(Sketch Atom) 옵션을 사용하여 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화도의 분자 구조를 별도로 그립니다.
- 비 정질 세포 모듈 메뉴의 계산 옵션을 사용하여 네 가지 종류의 아스팔트 분자를 시뮬레이션 상자> 포장합니다.
- 균열이있는 아스팔트 구조를 구축하십시오.
- x 치수의 균열 영역의 높이를 상자 높이....
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
결과
원자 수의 윤곽선
yz 평면에서 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 모델의 원자 수의 윤곽선은 그림 3에 나와 있으며, 파란색에서 빨간색으로 변하는 색상 막대는 0에서 28까지 다양한 원자 번호를 나타냅니다. 도 3a-c는 균열 팁과 균열 표면에서 그래핀에 의해 개질된 순수 아스팔트 및 아스팔트 나노복합체에서 15 Å 크랙 폭을 갖는 구조물의 원자 수의 윤곽을 도시한다. 순수한 아스팔트의 경우, 약 300 ps 후에 완전한 치유가 일어납니다. 균열 팁 주위의 영역이 50ps 후에 파란색으로 녹은 둔한 모양이되고 여러 아스팔트 분자가 균열 팁의 중간에있는 두 개의 균열 표면을 연결하기 때문에 균열 팁의 영역에서 자체 치유 동작이 시작됩니다. 윤곽선의 녹색은 균열 구역이 완전한 자기 치유를 얻는 단계 인 벌크 아스팔트를 나타냅니.......
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
토론
프로토콜 부분 내의 중요한 단계는 다음과 같습니다 : 단계 1.4 - 아스팔트 분자의 네 가지 유형을 구축하고 포장; 단계 1.5 - 균열이있는 아스팔트 구조물을 건설하십시오. 단계 2.3 - 평형을 달성; 단계 2.4 - 자기 치유 과정을 수행하십시오. 이 단계는 프로토콜의 가장 응집력 있고 중요한 내용을 나타냅니다. 삽입된 균열의 원하는 모양을 만들기 위해 Materials Studio의 일반 포장과 비교하여 포장 공정이 수정됩니다. 균열 모양이 생성되어 시뮬레이션 상자 내부에 채워진 다음 아스팔트 분자가 시뮬레이션 상자의 다른 부분으로 포장됩니다. 그 후, 중복 아스팔트 분자는 생성 된 균열 윤곽선 주위에 삭제됩니다. MD 시뮬레이션의 한계는 시간 스케일 및 길이 스케일이 유한 요소 방법과 같은 전통적인 방법에 비해 나노초 및 나노미터 순서로 상대적으로 작기 때문에 시뮬레이션을 초 및 미터(57)까지 분석할 수 있다는 것이다. 이 방법의 중요성은 전통적인 접근법
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
공개 사항
저자는 선언 할 이해 상충이 없습니다.
감사의 글
저자들은 프로젝트 번호 7005547와 함께 홍콩 시립 대학 전략 연구 보조금의 지원, 중국 홍콩 특별 행정 구역의 연구 보조금위원회 (RGC)의 지원, 프로젝트 No. R5007-18 및 보조금 JCYJ20170818103206501에 따라 심천 과학 기술 혁신위원회의 지원.
....액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 아스팔트 및 그래핀의 원자 모델/Materials Studio | BIOVIA | Materials Studio 8.0 | 원자 모델은 분자 역학 시뮬레이션을 위해 구축되었습니다. |
| 대규모 원자/분자 대규모 병렬 시뮬레이터 패키지 | Sandia National Laboratories | lammps-stable20 | 평형은 NPT 앙상블에서 달성되고 원자 모델은 자가 치유됩니다. |
| Technische Universitä의 OVITO 재료 과학과; t 독일 다름슈타트 | ovito-basic-3.1.0-win64 | 원자 모델의 자가 치유 동작이 시각화됩니다. | |
| Origin | OriginLab | Origin 2018 64Bit | 궤적의 원자 번호의 윤곽을 그리고 분석합니다. |
참고문헌
- Sun, D., et al. A comprehensive review on self-healing of asphalt materials: Mechanism, model, characterization and enhancement. Advances in Colloid and Interface Science. 256, 65-93 (2018).
- Hung, A. M., Mousavi, M., Fini, E. H.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재인쇄 및 허가
태그
