Name: 그래핀 구조에 의해 강화 된 고급 자기 치유 아스팔트 : 원자 론적 통찰력 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: 탐색하세요 분자 역학 시뮬레이션을 활용한 그래핀 강화 아스팔트의 자가 치유 메커니즘. 원자 수준에서 재료 거동을 분석하여 인프라용 고급 소재 개발에 기여하는 계산 연구 방법론입니다.

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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.

1. 원자 모델 구축
<ol><li>Materials Studio 소프트웨어를 열어 다섯 개의 3D 원자 문서를 만들고 이러한 문서의 이름을 각각 그래핀, 아스팔텐, 극성 방향족, 나프텐 방향족제 및 포화로 바꿉니다.</li>
	<li>스케치 원자( Sketch Atom ) 옵션을 사용하여 3D 원자 문서에서 그래핀 시트의 단위 셀을 생성하여 그래핀 모델을 빌드합니다.</li>
	<li>빌드 > 대칭 메뉴의 Supercell 옵션을 사용하여 최종 구조를 구성합니다. 그래핀 시트의 크기를 아스팔트 체인 및 균열 폭보다 큰 40 Å x 40 Å로 정의하십시오.</li>
	<li>네 가지 유형의 아스팔트 분자를 만들고 포장하십시오.<ol>
<li>스케치 원자(Sketch Atom) 옵션을 사용하여 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화도의 분자 구조를 별도로 그립니다.</li>
		<li>비 정질 세포 모듈 메뉴의 계산 옵션을 사용하여 네 가지 종류의 아스팔트 분자를 시뮬레이션 상자> 포장합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>균열이있는 아스팔트 구조를 구축하십시오.<ol>
<li>x 치수의 균열 영역의 높이를 상자 높이와 동일하게 70 Å로 설정하고 y 차원의 균열 영역의 깊이는 상자 높이의 절반을 35 Å로 설정합니다.</li>
		<li>균열 폭의 두 케이스를 z 치수 15 Å 및 35 Å로 설정합니다. 삭제 옵션을 사용하여 아스팔트 벌크의 중간 아래 영역의 균열 영역에서 중복 분자를 삭제 하고 중간 영역의 아스팔트 매트릭스를 변경하지 않고 유지하십시오.</li>
	</ol>
</li>
	<li>균열이있는 그래핀 개질 아스팔트 구조를 구축하십시오. 복사 + 붙여넣기 명령을 사용하여 포장 단계 전에 그래핀 시트를 균열 팁의 상단 영역과 왼쪽 균열 표면에 별도로 통합합니다.</li>
	<li>표 1에 열거된 최종 조성에 기초하여 시뮬레이션 박스에 아스팔트 분자를 포장하여 그래핀 개질된 아스팔트 구조를 구성한다.</li>
	<li>구조 파일을 데이터 파일로 변환합니다. 구조 파일을 Materials Studio의 구조 정보(*.car 및 *.mdf)가 있는 분자 파일로 저장합니다. 대규모 원자/분자 대량 병렬 시뮬레이터(LAMMPS)55 패키지의 msi2lmp 도구를 사용하여 분자 파일(*.car 및 *.mdf)을 데이터 파일로 변환합니다. LAMMPS에서 read_data 명령으로 데이터 파일을 읽습니다.</li>
</ol>2. 시뮬레이션 수행
<ol><li>시뮬레이션의 매개 변수를 정의합니다.<ol>
<li>수행된 시뮬레이션의 정확도와 효율성의 균형을 고려하여 입력 파일에서 시간 단계를 1fs로 설정합니다.</li>
		<li>비결합 상호작용의 컷오프 거리를 주기적 경계 조건과 계산 효율을 고려하여 시뮬레이션 박스 길이의 절반 미만인 12 Å로 설정합니다.</li>
		<li>입자-입자 입자-메쉬(PPPM) 알고리즘을 사용하여 장거리 쿨롱 상호작용을 설명하고 높은 정확도를 위해 장거리 솔버에 의해 계산된 원자당 힘의 상대적 오차를 10-5 로 설정합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>균열의 프로파일을 수정하십시오. LAMMPS의 그룹 분자 명령에 의해 프로파일에서 아스팔 트 분자 를 선택하십시오. LAMMPS의 Fix Spring/Self 명령을 사용하여 아스팔트 분자에 제약 조건을 적용하여 아스팔트 분자의 움직임을 피하십시오.</li>
	<li>평형 달성<ol>
<li>300K의 온도와 1기압의 압력으로 등온-등압(NPT) 앙상블 아래에서 500ps 후에 전체 시뮬레이션 박스를 완전히 이완시키십시오.</li>
		<li>Thermal 명령을 사용하여 온도, 압력, 밀도 및 에너지 값을 지속적으로 검사하여 아스팔트 벌크를 0.95-1.05 g/cm3 의 실험 측정치(41)의 원하는 밀도 값으로 평형화시킨다.</li>
		<li>완전히 이완된 상태를 달성하기 위해 전체 시스템에서 전위 에너지와 평균 제곱 변위(MSD)의 수렴을 확인하십시오.</li>
	</ol>
</li>
	<li>자가 치유 과정을 수행하십시오.<ol>
<li>전체 시뮬레이션 박스를 NPT 앙상블 아래에 온도 300K, 압력 1기압으로 설정합니다.</li>
		<li>균열 영역의 윤곽선에있는 아스팔트 분자의 제약 조건을 제거하십시오.</li>
		<li>시뮬레이션 상자의 크기와 원자의 좌표를 추적 및 기록하고 사후 처리를 위해 Dump 명령을 사용합니다.</li>
		<li>무작위 오류를 줄이기 위해 세 개의 서로 다른 초기 속도 시드를 가진 세 개의 독립적인 구성에 대한 자체 복구 프로세스 중 시뮬레이션 결과를 평균화합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 후처리
<ol><li>자기 치유 행동을 시각화하십시오. Open Visualization Tool OVITO56 을 열어 시뮬레이션 진행률을 시각화한 다음, LAMMPS55에 의해 생성된 lammpstrj 형식의 궤적 파일을 엽니다. 자가 복구 프로세스의 스냅숏을 기록하고 Render 명령을 사용하여 아스팔트 분자의 경로를 추적합니다.</li>
	<li>원자 번호의 윤곽선을 분석합니다. 원자의 좌표를 LAMMPS에서 출력된 궤적 파일에서 데이터 분석 및 그래프 소프트웨어로 내보냅니다. 전체 시스템의 원자 좌표를 yz 평면에 투영하십시오. yz 평면의 다른 영역에 원자 번호를 기록하고 다른 색상으로 윤곽선을 그립니다.</li>
	<li>원자 이동성과 상대적 위치를 분석합니다.<ol>
<li>Compute msd 명령을 사용하여 MSD(평균 제곱 변위)로 여러 아스팔트 성분의 원자 이동성을 분석합니다.</li>
		<li>LAMMPS의 Compute rdf 명령을 사용하여 15 Å 및 35 Å 균열 폭을 갖는 그래핀 개질 아스팔트 시스템 시스템에 대한 방사형 분포 함수(RDF) 곡선을 통해 그래핀과 아스팔트 분자 사이의 상대적 위치를 계산합니다.</li>
		<li>RDF 곡선을 그려 아스팔트의 밀도가 그래핀 시트와의 거리의 함수로 어떻게 변하는지 확인하십시오.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

저자는 선언 할 이해 상충이 없습니다.

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<sup class=...

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.5,6. 가열을 유도하면 아스팔트의 이동성을 크게 향상시키고 회복을위한 자체 치유를 활성화 할 수 있습니다.7. 가열을 유도하여 아스팔트의 자기 치유 기술은 보조 자기 치유 기술에 기인 할 수 있으며, 이는 아스팔트의 자기 치유 특성이 외부 자극에 의해 향상되었음을 나타냅니다. 스틸 울 섬유를 추가하는 목적은 아스팔트 바인더의 치유력을 증가시키도록 전기 전도도를 향상시키는 것입니다.8. 열을 유도하는 접근법은 이러한 전기 전도성 섬유를 고주파 교류 전자기장에 노출시켜 와류를 유도 할 수 있으며 열 에너지는 전도성 섬유에 의해 아스팔트 바인더로 확산 될 수 있습니다.9. 강철 울 섬유는 전기 전도성뿐만 아니라 열 전도성도 향상 시키며, 둘 다 아스팔트의 자체 치유 특성에 긍정적 인 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 섬유에 대한 적절한 혼합 시간을 선택하는 것은 어렵습니다.10. 섬유의 길이는 혼합 시간이 증가하면 감소하고 열전도율에 영향을 미치는 반면, 혼합 시간이 감소하면 섬유 클러스터가 생기고 아스팔트의 기계적 특성이 저해됩니다.9. 캡슐화 방법은 방향족제와 같은 노화 된 아스팔트의 가벼운 구성 요소를 공급하고 포화시키고 아스팔트의 자체 치유 능력을 새로 고칠 수 있습니다.11,12. 그러나 이것은 한 번만 치료되며 치유 물질은 방출 후 보충 될 수 없습니다. 나노 기술의 발달과 함께, 나노 물질은 아스팔트 기반 재료를 향상시키기위한 유망한 개질제가되었습니다. 나노 물질과 결합 된 아스팔트 바인더는 더 나은 열전도율과 기계적 특성을 나타냅니다.13. 우수한 기계적 성능과 높은 열성능을 가진 그래핀은 아스팔트의 자가 치유능을 향상시키는 우수한 후보로 평가받고 있습니다.14,15,16,17. 그래핀 개질 아스팔트의 치유 특성 증가는 그래핀이 아스팔트 바인더 내부에서 가열되고 열 전달을 생성하는 아스팔트 바인더의 용량을 증가시킨다는 사실에 기인 할 수 있으며, 이는 그래핀 개질 아스팔트가 순수 아스팔트보다 더 빠르게 가열되고 더 높은 온도까지 도달 할 수 있음을 의미합니다.18. 생성 된 열은 순수한 아스팔트를 통해 그것보다 빠른 속도로 그래핀 개질 아스팔트 전체에 전달 될 수 있습니다. 아스팔트 바인더의 균열 영역은 쉽게 영향을받을 수 있으며 더 높은 온도와 더 높은 가열 용량을 가진 열 흐름에 의해 더 빨리 치유 될 수 있습니다. 치유 활성화 에너지와 같거나 큰 에너지가 아스팔트의 균열 표면에 존재하는 경우 자체 치유 반응이 시작됩니다.19. 그래 핀은 열 활성화 치유 성능을 향상시키고 아스팔트의 치유율을 가속화 할 수 있습니다.19,20. 게다가, 그래 핀은 치유 과정에서 가열 에너지를 최대 50 %까지 절약 할 수있어 에너지 효율을 높이고 유지 보수 비용을 절감 할 수 있습니다.21. 마이크로파 흡수성 물질로서, 그래핀은 마이크로파 가열의 나머지 기간 동안 아스팔트의 치유 능력을 향상시키는 것으로 보고되고 있다.22. 아스팔트에 그래핀을 첨가하면 기계적 성능뿐만 아니라 자가 치유 메커니즘에 대한 심층적 인 지식이 필요한 자체 치유 및 에너지 절약 능력이 향상 될 것으로 예상됩니다.
나노 규모에서의 자가 치유는 주로 파쇄 된 얼굴(23)에서 아스팔트 분자의 습윤 및 확산에 기인한다. 아스팔트는 다양한 극성 및 비극성 분자로 구성되어 있기 때문에 자체 치유 능력은 다른 구성 요소1의 아스팔트 분자의 분자 상호 작용 및 움직임과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 현재의 연구는 주로 거시적 인 기계적 특성을 정량화하기위한 실험 기술에 의존하고 있으며, 이는 치유 메커니즘을 이해하려고 할 때 미세 구조의 변화와 아스팔트 분자 간의 상호 작용에 누락 된 정보를 유발합니다. 아스팔트의 자기 치유 능력에서 그래핀의 강화 메커니즘도이 단계에서 불분명하다. 분자 역학 (MD) 시뮬레이션은 나노 복합 시스템의 분자 상호 작용 및 움직임을 조사하고 미세 구조 변형을 분자 상호 작용 및 움직임과 연결하는 데 중요한 역할을합니다 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD 시뮬레이션은 실험32,33에 의해 쉽게 접근 할 수없는 물질적 행동을 분석하는 데 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 기존 연구는 아스팔트 시스템에서 MD 시뮬레이션의 실현 가능성과 가용성을 보여주었습니다. 아스팔트 및 아스팔트 복합재의 응집력, 접착력, 노화 및 열역학적 특성은 MD 시뮬레이션34,35,36,37에 의해 탐구 될 수 있습니다. 아스팔트의 자기 치유 거동은 MD 시뮬레이션38,39,40에 의해서도 예측할 수 있다. 따라서 MD 시뮬레이션을 사용한 조사는 자기 치유 및 강화 메커니즘을 모두 이해하는 효과적인 방법이라고 믿어집니다.
이 연구의 목적은 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 나노 복합체의 자기 치유 거동을 조사하고 MD 시뮬레이션을 통해 아스팔트의 치유 능력을 향상시키는 그래핀의 역할을 이해하는 것입니다. 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 복합 재료의 자체 치유 시뮬레이션은 초기 구조물에 균열을 도입하여 수행됩니다. 자가 치유 능력은 원자 수의 윤곽선, 골절 된 얼굴에서 분자의 재 방향 및 얽힘, 자기 치유 과정에서 아스팔트 구성 요소의 이동성을 특징으로합니다. 다른 사이트에서 그래핀의 치유 효율을 조사함으로써 아스팔트의 자체 치유 능력에 기여하는 그래핀의 강화 메커니즘이 공개되어 최적의 방법으로 나노 필러를 모니터링하여 아스팔트 포장의 수명 연장을 가능하게합니다. 원자 적 규모에서의 자체 치유 능력에 대한 조사는 향후 연구를위한 고급 아스팔트 기반 재료를 개발하는 효율적인 방법을 제공 할 수 있습니다.
아스팔트 화학에 따르면, 아스팔트는 다양한 극성과 모양을 가진 다양한 유형의 탄화수소와 비 탄화수소로 구성되며, 주로 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화도41,42의 네 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 아스팔텐 분자는 아스팔트의 다른 분자보다 상대적으로 크고 무겁으며 평균 원자 질량은 약 750 g / mol이고 분자 직경은 10-20 Å 범위입니다. 아스팔텐은 헤테로 원자를 포함하고 알킬 기43의 다른 길이로 둘러싸인 큰 방향족 코어로 구성되어 있다는 것이 널리 받아 들여지고 있습니다. 변형된 아스팔텐 분자는 도 1a에 도시된 바와 같이 구성된다. 극성 방향족제와 나프텐 방향족제의 분자는 아스팔트 분자의 극성과 원소비에 기초하여 구성되며, 극성 방향족 분자를 나타내는 벤조비스벤조티오펜(C18H10S2)과 도 1b-c에 도시된 바와 같이 대표적인 나프텐 방향족 분자로 선택된 1,7-디메틸나프탈렌(C12H12)이 있다. N-도코산(n-C22H46)은 도 1d에 도시된 바와 같이 구성된다. 아스팔트 분자에 대한 표 1에 열거된 파라미터는 실험41로부터의 실제 아스팔트의 원소 질량 분율, 원자 비율 및 방향족/지방족 비율을 포함하는 원하는 기준을 충족하기 위해 선택되고 사용된다. 이전 연구에서 동일한 질량비가 정의되었으며, 밀도, 유리 전이 온도 및 점도와 같은 다른 열역학적 특성은 실제 아스팔트36의 실험 데이터와 잘 일치합니다. 본 연구에 적용된 그래핀의 분자구조는 도 1e에 나타내었다. 본 연구에서 채택된 그래핀 시트는 실제 케이스에 비해 결함 및 폴드가 없는 반면, 실제 그래핀 시트는 일반적으로 원자 공석 및 스톤-웨일즈 결함(44)과 같은 몇 가지 결함을 가지며, 일부 그래핀 시트는 아스팔트 매트릭스(45)에서의 혼합 공정 동안 접힐 수 있다. 이러한 불완전한 상황은 그래핀 시트 부위가 자기 치유 특성에 미치는 영향에 초점을 맞추고 유일한 변수로 선택하기 때문에이 연구에서 고려되지 않습니다. 결함과 접힌 경우의 관점에서 그래 핀 시트의 변수는 우리의 미래 연구의 초점이 될 것입니다. 본 연구에서 그래핀 대 아스팔트의 질량비는 4.75%이며, 이는 실험46,47에서 그래핀 개질 아스팔트에 대한 정상적인 상황(&lt;5%)이다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig01.jpg"> 그림 1: 화학 구조. 원자론적 모델은 (a) 아스팔텐 분자 (C53H55NOS), (b) 나프텐 방향족 분자 (C12H12), (c) 극성방향족 분자 (C18H10S2), (d)포화 분자 (C22H46), (e) 그래핀, 및 (f) 순수한 아스팔트이다. 원자 아스팔트 모델의 경우, 탄소, 산소, 질소, 황 및 수소 원자는 각각 회색, 빨간색, 파란색, 노란색 및 흰색으로 표시됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>아스팔트 모델</td>
			<td>질량 (g / 몰)</td>
			<td>화학식</td>
			<td>분자의 수</td>
			<td>총 질량 (g / 몰)</td>
			<td>질량분율(%)</td>
		</tr>
<tr>
<td>아스팔텐</td>
			<td>754.04</td>
			<td>C53H55NOS</td>
			<td>43</td>
			<td>32423.72</td>
			<td>26</td>
		</tr>
<tr>
<td>나프텐 아로마</td>
			<td>156.22</td>
			<td>C12H12
</td>
			<td>65</td>
			<td>10154.3</td>
			<td>8</td>
		</tr>
<tr>
<td>극성 방향족</td>
			<td>290.38</td>
			<td>C18H10S2
</td>
			<td>74</td>
			<td>21485.16</td>
			<td>17</td>
		</tr>
<tr>
<td>포화</td>
			<td>310.59</td>
			<td>C22H46
</td>
			<td>205</td>
			<td>63670.95</td>
			<td>49</td>
		</tr>
<tr>
<td>아스팔트 바인더</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>387</td>
			<td>127734.13</td>
			<td>100</td>
		</tr>
<tr>
<td>그래핀</td>
			<td>6369.28</td>
			<td>C525H63
</td>
			<td>1</td>
			<td>6369.28</td>
			<td></td>
		</tr>
</tbody></table>표 1 : 순수 아스팔트 모델 및 그래핀 개질 아스팔트 모델의 전체 구성 요소.
아래에 설명 된 프로토콜과 관련하여 크기가 다른 두 가지 유형의 쐐기 모양의 균열이 무딘 균열 팁과 두 개의 평행 한 균열 표면이있는 아스팔트 모델의 중간에 삽입되지만 아스팔트 벌크의 중간 상단 영역은 그대로 유지됩니다. 두 개의 균열 폭은 그림 2a-b와 같이 15 Å 및 35 Å로 선택됩니다. 15 Å를 선택하는 이유는 작은 균열에 대한 극단적 인 경우를 조사하면서 평형 과정에서 아스팔트 분자의 초기 자체 치유를 피하기 위해 균열 폭이 12 Å의 컷오프보다 넓어야한다는 것입니다. 35 Å를 선택하는 이유는 가교 효과를 방지하기 위해 균열 폭이 34 Å의 포화 분자의 길이보다 넓어야하기 때문입니다. 균열의 높이는 상자 너비와 동일한 35 Å이며 균열의 깊이는 상자 길이와 동일한 70 Å입니다. 실제 상황에서 관찰 된 마이크로 크랙 크기는 수 마이크로 미터에서 수 밀리미터까지 다양 할 수 있으며, 이는 우리가 여기서 모델링하는 길이 스케일보다 훨씬 큽니다. 일반적으로 MD 시뮬레이션의 길이 스케일은 100nm의 스케일로 제한되며, 이는 여전히 실제 크랙 크기보다 몇 배 더 작습니다. 그러나, 크랙은 나노스케일에서 시작되어 연속적인 변형(48)을 갖는 매크로스케일 크랙으로 성장한다. 나노 스케일에서의 자기 치유 메커니즘에 대한 이해는 거대 규모에서 균열의 성장 및 추가 전파를 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 선택한 균열 크기가 나노 미터 범위에 있더라도 결과는 여전히 아스팔트 분자의 자체 치유 행동을 탐구하는 데 영향을 미치고 적용 할 수 있습니다. 균열 영역에는 그래핀 시트에 대한 두 가지 위치가 있습니다 : 하나는 균열 팁 위에 있고 다른 하나는 왼쪽 균열 표면에 수직입니다. 이들은 균열49를 갖는 그래핀 개질된 나노복합체에서 그래핀에 대한 가장 일반적인 위치라는 것이 밝혀졌다.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig02.jpg"> 그림 2 : 순수한 아스팔트와 그래핀 변형 아스팔트에 대한 자체 치유 계획. 균열 폭이 (a) 15 Å 및 (b) 35 Å 인 순수한 아스팔트의 자체 치유 모델. 그래핀 시트를 사용한 그래핀 개질 아스팔트의 자가 치유 모델은 (c) 크랙 팁의 상부에 위치하고, (d) 크랙 표면에 수직이다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
MD 시뮬레이션에서 아스팔트 나노 복합체의 분자 내 및 분자 간 상호 작용은 아스팔트 및 그래핀 기반 재료와 잘 작동하는 CVFF (Consistent Valence Forcefield)50에 의해 설명됩니다. CVFF의 기능적 형태는 다음 표현식으로 표현됩니다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63303/63303eq01v2.jpg"> 1
여기서, 총 에너지 E총계는 접합 에너지 용어와 비결합 에너지 용어로 구성된다. 결합 된 상호 작용은 공유 결합 스트레칭, 결합 각도 굽힘 에너지, 비틀림 각도 회전 및 처음 네 가지 용어로 표현 된 부적절한 에너지로 구성됩니다. 비결합 에너지는 vdW(van der Waals) 용어에 대한 LJ-12-6 함수와 정전기적 상호작용을 위한 쿨롱 함수를 포함한다. CVFF는 아스팔트 재료51,52를 시뮬레이션하는 데 널리 사용되었습니다. 밀도, 점도 및 벌크 모듈러스와 같은 시뮬레이션된 물리적 및 기계적 특성은 CVFF51의 신뢰성을 입증하는 실험 데이터와 잘 일치합니다. CVFF는 무기 재료에 적합 할뿐만 아니라 아스팔트 - 실리카 (52) 및 에폭시 그래핀 (53) 시스템과 같은 유기 및 무기 상으로 구성된 구조에도 성공적으로 채택되었습니다. 또한, 그래핀과 아스팔트 사이의 계면 상호작용은 CVFF36,54로 특징지어질 수 있다. 포스필드를 선택하는 데 있어서 중요한 부분은 아스팔트-그래핀 계면을 결정하는 것이기 때문에, CVFF에 의해 기술된 비접합된 상호작용은 더 신뢰할 수 있으며, 이는 우리의 이전 연구(36)에서도 고려된다. 전반적으로, 포스필드 CVFF는 이 연구에서 채택된다. 다른 종류의 원자에 대한 부분 전하는 포스필드 할당 방법에 의해 계산됩니다.

<table><tbody><tr><td>아스팔트 및 그래핀의 원자 모델/Materials Studio</td><td>BIOVIA</td><td>Materials Studio 8.0</td><td>원자 모델은 분자 역학 시뮬레이션을 위해 구축되었습니다.</td></tr><tr><td>대규모 원자/분자 대규모 병렬 시뮬레이터 패키지</td><td>Sandia National Laboratories</td><td>lammps-stable20</td><td>평형은 NPT 앙상블에서 달성되고 원자 모델은 자가 치유됩니다.</td></tr><tr><td></td><td>Technische Universit&auml의 OVITO 재료 과학과; t 독일 다름슈타트</td><td>ovito-basic-3.1.0-win64</td><td>원자 모델의 자가 치유 동작이 시각화됩니다.</td></tr><tr><td>Origin</td><td>OriginLab</td><td>Origin 2018 64Bit</td><td>궤적의 원자 번호의 윤곽을 그리고 분석합니다.</td></tr></tbody></table>

그래핀 구조에 의해 강화 된 고급 자기 치유 아스팔트 : 원자 론적 통찰력

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

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.

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...

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.

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

이 방법은 나노 복합 재료를 기반으로 한 아스팔트의 전체 균열 자체 치유와 흑연이 아스팔트의 용량을 향상시킬 수있는 방법에 대한 답변을 도울 수 있습니다. 이 기술은 실험으로 쉽게 평가할 수없는 물질적 행동을 분석 할 수 있으며 원자 적 수준에서 자기 치유 메커니즘에 대한 기본 정보를 제공 할 수 있습니다. 이 방법은 inorgi-inorganic 시스템 및 관련 인터페이스를 포함한 다양한 재료 시스템에서 동적 진화의 기본 물리학에 대한 통찰력을 제공하거나 전기 분자를 응시 할 수도 있습니다.이 기술에 익숙하지 않은 경우 분자 동적 시뮬레이션의 기본 이론을 이해하고 시뮬레이션을 수행하기 전에 각 명령의 기본 의미를 파악해야합니다. 재료 스튜디오 소프트웨어를 열려면 그라핀에 대한 삼차원 원자 문서를 만들고 스케치 원자 옵션을 사용하여 그라핀 모델을 빌드하십시오. 흑연 도트 MSI 파일을 재료 스튜디오로 가져온 후 대칭 아래의 빌드 메뉴에서 슈퍼 셀 옵션을 사용하여 최종 구조를 구성합니다.그래핀 시트의 크기를 균열 폭의 아스팔트 체인보다 큰 40 x 40 옹스트롬으로 정의하십시오. 다음으로, 네 가지 유형의 아스팔트 분자를 만들고 포장하려면 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화도에 대한 삼차원 원자 문서를 별도로 만듭니다. 그런 다음 스케치 원자 옵션을 사용하여 이러한 분자의 분자 구조를 그립니다.다음으로, 모듈 아래의 비정질 셀 메뉴의 계산 옵션을 사용하여 이러한 네 가지 종류의 아스팔트 분자를 시뮬레이션 상자에 포장합니다. 그런 다음 균열이있는 아스팔트 구조물을 건설하고 상자 높이와 동일한 X 차원의 균열 구역의 높이를 70 옹스트롬으로 설정하고 Y 차원의 균열 영역의 깊이를 상자 높이의 절반으로 35 옹스트롬으로 설정합니다. Z 차원에서 균열 폭의 두 케이스를 15 및 35 옹스트롬으로 설정합니다.그런 다음 삭제 옵션을 사용하여 아스팔트 벌크의 중간 아래 영역의 균열 영역에서 중복 분자를 삭제하고 중간 위 영역의 아스팔트 매트릭스를 변경하지 않고 유지합니다. 평형을 이루려면 1기압의 압력에서 300켈빈의 온도로 등온 등압 앙상블 아래 500피코초 후에 전체 시뮬레이션 박스를 완전히 이완시킵니다. 그런 다음, 열 명령을 사용하여, 온도, 압력, 밀도 및 에너지 값을 지속적으로 조사함으로써 아스팔트 벌크를 실험 측정치의 원하는 밀도 값으로 평형화시킨다.완전히 이완된 상태를 달성하기 위해 전체 시스템에서 평균 제곱 변위에서 잠재적 에너지의 수렴을 확인하십시오. 다음으로, 자가 치유 과정을 수행하기 위해, 전체 시뮬레이션 박스를 등온 등압 앙상블 하에 300 켈빈의 온도와 1 기압의 압력으로 설정한다. 그런 다음, 균열 영역의 윤곽선에서 아스팔트 분자의 제약을 제거한다.시뮬레이션 상자의 크기를 원자의 좌표로 추적하고 기록합니다. 그런 다음 사후 처리를 위해 dump 명령을 사용하십시오. 마지막으로, 무작위 오류를 줄이기 위해 3 개의 초기 속도 시드가있는 3 개의 독립적 인 구성에 대한 자체 복구 프로세스 중 시뮬레이션 결과를 평균화하십시오.자가 복구 동작 및 시뮬레이션 진행률을 시각화하려면 개방형 시각화 도구 OVITO"를 연 다음 LAMMPS에서 생성된 LAMMPS TRJ 형식의 궤적 파일을 엽니다. 자가 복구 프로세스의 스냅숏을 기록한 다음 render 명령을 사용하여 아스팔트 분자의 경로를 추적합니다. 다음으로 원자 번호의 윤곽선을 분석하려면 궤적 파일에서 원자의 좌표를 데이터 분석 및 그래프 소프트웨어로 내보냅니다.전체 시스템의 원자 좌표를 YZ 평면에 투영 한 다음 YZ 평면의 다른 영역에서 원자 번호를 기록하고 다른 색상으로 윤곽선을 그립니다. 다음으로, 계산 MSD 명령을 사용하여 평균 제곱 변위를 계산하여 서로 다른 아스팔트 성분의 원자 이동성을 분석합니다. 그런 다음 계산 RDF 명령 및 LAMMPS를 사용하여 15 및 35 옹스트롬 균열 폭을 갖는 그래프 수정 아스팔트 시스템에 대한 방사형 분포 계수 또는 RDF 곡선에 의해 그래핀과 아스팔트 분자 사이의 상대적 위치를 계산합니다.마지막으로, RDF 곡선을 그려 아스팔트의 밀도가 그래핀 시트와의 거리의 함수로 어떻게 변하는지 확인하십시오. 순수한 아스팔트의 경우, 완전한 자기 치유는 300 피코 초 후에 발생합니다. 균열 영역은 50에서 급격히 감소하고 200 피코 초에서 거의 사라집니다.균열 표면의 왼쪽에 그래핀을 삽입하면 자가 치유 과정을 상당히 가속화 할 수 있습니다. 치유 기간은 200 피코 초로 단축되며 균열 폭은 20에서 크게 감소하고 약 150 피코 초에서 거의 사라집니다. 자가 치유 거동은 그래핀 시트가 왼쪽 균열 표면에있을 때 크게 개선되었습니다.그래핀이 왼쪽 균열 표면에 배치되면 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 그라핀의 이동성이 순수한 아스팔트에 비해 크게 향상되었습니다. 15 옹스트롬 크랙 폭 모델에 대한 아스팔트 성분에서 좌측 균열 표면에서 그래핀 사이의 RDF 값은 방향족 분자 및 아스팔트가 그래핀 시트, 특히 극성 방향족 분자 및 나프텐 방향족 분자에 더 가깝게 이동한다는 것을 보여준다. 4 옹스트롬을 초과하는 35 옹스트롬 균열 폭 모델 RDF 값은 아스팔타이트가 더 큰 균열 영역에서 그래프쪽으로 확산되고 이동할 수있는 더 많은 공간을 가지고 있기 때문에 15 옹스트롬 균열 폭 모델의 값보다 더 분명합니다.균열이 잘 유지되고 시스템이 완전히 평형화되도록 보장하면서 아스팔트 모델에 합리적인 균열을 설정하는 것이 매우 중요합니다. 비용 입자 모델링은 더 넓은 범위의 길이 스케일을 포용하기 위해이 절차를 기반으로 수행 될 수 있으며, 더 나아가 다른 스케일에서 아스팔트의 균열의 자체 치유가 이루어집니다. 이 기술은 아스팔트 기반 나노 복합체의 고급 개선을위한 결함, 사진 구조 및 기능 그룹과 같은 특수 설계로 나노 필러의 분자 구조를 모니터링하고 최적화 할 수 있습니다.

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연구

JoVE Journal

Engineering

공학

Graphene은 생물 의학 임플란트의 코팅 소재로 가능성을 제공합니다. 이 연구에서 우리는 graphene의 나노 미터 두께의 레이어 코팅 nitinol 합금하는 방법을 설명하고 graphene은 임플란트 응답에 영향을 미칠 수 있는지 결정합니다.

생명을 주입 Graphene 코팅

이 비디오 방법은 고분자 전구체에서 파생된 높은 표면적, 모놀리식 3D 그래핀 기반 재료 및 단층 그래핀 산화물의 합성을 설명합니다.

합성 및 3D 나노 그래 핀 소재의 기능화 : 그래 핀 에어로젤과 그래 핀 매크로 어셈블리

유리 섬유 복합 재료에 이러한 그래 핀 나노 판 등의 도전성 나노 입자의 통합 균주에 민감 극한 전기 네트워크를 생성한다. 여기에서, 다른 방법은 에폭시 매트릭스로 또는 유리 섬유에 코팅이 제안되어 같은 그라 나노 판의 첨가에 기초 변형률 센서를 얻었다.

그래 핀 나노 판과 멀티 스케일 복합 재료 강화를 바탕으로 변형 감지

이 작업에서는 용융 혼합과 선택적 침출의 조합을 사용하여 폴리(젖산)/폴리에틸렌 글리콜(PLA/PEG) 스캐폴드를 준비했습니다. 본 명세서에서 논의된 방법은 다공성과 공극 크기를 모두 높게 제어함으로써 3층 스캐폴드를 개발할 수 있도록 허용했다. 기계적 특성은 또한 생리학적 환경에서 평가되었습니다.

손쉬운 및 환경 친화적 인 경로는 그레이드 기공 크기와 폴리 (젖산) 공사장 공중 발판을 제조

프로시저를 연속 화학 수정을 사용 하 여 폴리스 티 렌 투입 multiwalled 탄소 나노튜브의 합성 단계를 선택적으로 sidewalls에 폴리머 체인 소개와 그들의 자기 조립을 통해 이방성 patchiness입니다 제시.

자기 집합에 있도록 폴리스 티 렌과 이방성 Patchiness Multiwalled 탄소 나노튜브를 접목

여기 우리는 실제 열 증발에 의해 C60/graphene 하이브리드 nanostructures의 제조에 대 한 프로토콜을 제시. 특히, 증 착 및 어 닐 링 조건의 적절 한 조작 1 D와 유사 1D C의 창조 제어할60 구조에 허용 파문이 그래.

준비 및 C60/Graphene 하이브리드 Nanostructures의 특성화

여기, 선물이 3 차원 그래 핀 기반 polyhedrons을 통해 종이 접기 같은 자체 접는의 제조에 대 한 프로토콜.

3 차원 그래 핀 기반 Polyhedrons을 통해 종이 접기 같은 자체 접는의 제조

이 원고에서 우리는 말초 조직 공학에 사용하기 위해 그래핀을 함유하는 바이오하이브리드 하이드로겔 바이오잉크의 제조를 시연합니다. 이 3D 바이오 하이브리드 재료를 사용하여 줄기 세포의 신경 분화 프로토콜이 수행됩니다. 이것은 유사한 생체 재료를 클리닉에 가져 오는 중요한 단계가 될 수 있습니다.

말초 신경 공학을 위한 그래핀 기반 3D 바이오하이브리드 하이드로겔 바이오잉크의 준비 및 특성화

그래핀 나노리본 및 하이드록시아파타이트 나노입자의 신규한 나노복합체는 용액상 합성을 사용하여 제조하였다. 이들 하이브리드는 생체활성 스캐폴드에 사용될 때 조직 공학 및 뼈 재생에 잠재적인 응용을 나타낼 수 있다.

뼈 조직 공학에 잠재적 인 사용을위한 그래핀 - 히드 록시 아파타이트 나노 복합체의 합성

이 기사는 고도로 조정 가능한 맞춤형 전달 설정을 기반으로 하는 수정된 건식 전달 기술을 활용하여 정밀한 비틀림 각도를 가진 고품질 그래핀 기반 모아레 초격자 장치를 제작하기 위한 최적화된 경험 기반 프로토콜을 제시합니다.

고품질 그래핀 기반 모아레 초격자 소자를 위한 최적화된 제작 절차

탐색하세요 분자 역학 시뮬레이션을 활용한 그래핀 강화 아스팔트의 자가 치유 메커니즘. 원자 수준에서 재료 거동을 분석하여 인프라용 고급 소재 개발에 기여하는 계산 연구 방법론입니다.

그래핀 구조에 의해 강화 된 고급 자기 치유 아스팔트 : 원자 론적 통찰력

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