Name: Geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-05-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: Ontdek moleculaire dynamica-simulaties voor zelfhelend asfalt versterkt met grafeen. Deze methode onthult atomistische interacties die de duurzaamheid van wegeninfrastructuur verbeteren.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De auteurs zijn dankbaar voor de steun van de City University of Hong Kong Strategic Research Grant met het Project No. 7005547, de steun van de Research Grants Council (RGC) van de Hong Kong Special Administrative Region, China, met het Project No. R5007-18, en de steun van Shenzhen Science and Technology Innovation Committee onder de subsidie JCYJ20170818103206501.

1. Bouw de atomistische modellen
<ol><li>Open de Materials Studio-software om vijf 3D-atomistische documenten te maken en hernoem deze documenten als respectievelijk grafeen, asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde stoffen.</li>
	<li>Bouw het grafeenmodel door de eenheidscel van het grafeenblad in het atomistische 3D-document te maken met de optie Sketch Atom .</li>
	<li>Maak de uiteindelijke structuur met de optie Supercell in het menu Build > Symmetry . Definieer de grootte van de grafeenplaat als 40 Å x 40 Å, wat groter is dan de asfaltkettingen en de scheurbreedte.</li>
	<li>Bouw en verpak de vier soorten asfaltmoleculen.<ol>
<li>Gebruik de optie Sketch Atom om de moleculaire structuren van asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde vetzuren afzonderlijk te tekenen.</li>
		<li>Verpak de vier soorten asfaltmoleculen in het simulatievak met behulp van de optie Berekening in het menu Modules > Amorfe cel .</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bouw de asfaltstructuur met de scheur.<ol>
<li>Stel de hoogte van de scheurzone in de x-dimensie gelijk aan de hoogte van de doos van 70 Å en de diepte van de scheurzone in de y-dimensie is de helft van de hoogte van de doos als 35 Å.</li>
		<li>Stel twee kasten van de scheurbreedtes in de z-afmeting van 15 Å en 35 Å in. Verwijder de overtollige moleculen in de scheurzones van het middelste gebied van asfaltmassa met behulp van de optie Verwijderen en houd de asfaltmatrix in het middelste gebied ongewijzigd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bouw de grafeen-gemodificeerde asfaltstructuur met de scheur. Neem het grafeenvel op in het bovenste gedeelte van de scheurpunt en het linker scheuroppervlak afzonderlijk vóór de verpakkingsstap met de opdracht Kopiëren en plakken .</li>
	<li>Verpak de asfaltmoleculen in de simulatiebox op basis van de uiteindelijke samenstellingen in tabel 1 om de grafeen-gemodificeerde asfaltstructuur te construeren.</li>
	<li>Converteer het structuurbestand naar een gegevensbestand. Sla de structuurbestanden op als de molecuulbestanden met structuurinformatie (*.car en *.mdf) van Materials Studio. Converteer de molecuulbestanden (*.car en *.mdf) naar gegevensbestanden met behulp van de msi2lmp-tool in grootschalig atomair / moleculair massaal parallel simulator (LAMMPS)55-pakket . Lees het gegevensbestand met de opdracht read_data in LAMMPS.</li>
</ol>2. Voer de simulaties uit
<ol><li>Definieer de parameters van de simulaties.<ol>
<li>Stel de tijdstap in op 1 fs in het invoerbestand, rekening houdend met de balans tussen nauwkeurigheid en efficiëntie van de uitgevoerde simulaties.</li>
		<li>Stel de afkapafstand van niet-gebonden interacties in op 12 Å, wat minder is dan de helft van de lengte van de simulatiebox, rekening houdend met de periodieke grensconditie en de rekenefficiëntie.</li>
		<li>Gebruik het deeltjes-deeltjes-deeltjesgaas (PPPM) -algoritme om de Coulombic-interacties over lange afstand te beschrijven en stel de relatieve fout in krachten per atoom berekend door de langeafstandsoplosser in op 10-5 voor hoge nauwkeurigheid.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fixeer het profiel van de scheur. Selecteer de asfaltmoleculen op het profiel met de opdracht Group Molecules in LAMMPS. Pas de beperkingen op de asfaltmoleculen toe met behulp van het Fix Spring/Self-commando in LAMMPS om de bewegingen van asfaltmoleculen te voorkomen.</li>
	<li>Bereik het evenwicht<ol>
<li>Houd de hele simulatiebox volledig ontspannen na 500 pk onder het isothermisch-isobaar (NPT) ensemble met een temperatuur van 300 K en een druk van 1 atm.</li>
		<li>Maak het asfaltbulk gebalanceerd naar de gewenste dichtheidswaarde van de experimentele metingen41 van 0,95-1,05 g /cm3 door de temperatuur, druk, dichtheid en energiewaarden continu te onderzoeken met behulp van het thermische commando.</li>
		<li>Controleer de convergentie van potentiële energie en de gemiddelde kwadraatverplaatsing (MSD) in het hele systeem om de volledig ontspannen toestand te bereiken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Voer het zelfgenezende proces uit.<ol>
<li>Zet de hele simulatiebox onder het NPT-ensemble met een temperatuur van 300 K en een druk van 1 atm.</li>
		<li>Verwijder de beperking van de asfaltmoleculen op de contouren van de scheurzone.</li>
		<li>Volg en registreer de grootte van de simulatiebox en de coördinaten van atomen en gebruik de opdracht Dump voor nabewerking.</li>
		<li>Gemiddelde van de simulatieresultaten tijdens het zelfherstellende proces over drie onafhankelijke configuraties met drie verschillende initiële snelheidszaden om de willekeurige fouten te verminderen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Nabewerking
<ol><li>Visualiseer het zelfgenezende gedrag. Open de Open Visualization Tool OVITO56 om de voortgang van de simulatie te visualiseren en open vervolgens de trajectbestanden in het lammpstrj-formaat dat is gegenereerd door LAMMPS55. Noteer de momentopnamen van het zelfherstellende proces en volg de paden van asfaltmoleculen met de opdracht Renderen .</li>
	<li>Analyseer de contour van het atoomnummer. Exporteer de coördinaten van de atomen naar data-analyse en grafische software van de trajectbestanden die worden uitgevoerd vanuit LAMMPS. Projecteer de coördinaten van atomen in het hele systeem op het yz-vlak. Registreer atoomnummers op verschillende gebieden van het yz-vlak en plot de contour met verschillende kleuren.</li>
	<li>Analyseer de atoommobiliteit en relatieve positie.<ol>
<li>Analyseer de atoommobiliteit van verschillende asfaltcomponenten door de msd (mean-squared displacement) met de opdracht Compute msd .</li>
		<li>Bereken de relatieve posities tussen grafeen en asfaltmoleculen door de radiale distributiefuncties (RDF) curven voor het systeem van grafeen-gemodificeerde asfaltsystemen met de scheurbreedtes van 15 Å en 35 Å met behulp van het opdracht Compute rdf in LAMMPS.</li>
		<li>Teken de RDF-curven om te controleren hoe de dichtheid van asfalt varieert als functie van de afstand tot de grafeenplaat.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

De kritische stappen binnen het protocolgedeelte zijn als volgt: stap 1.4 - Bouw en pak de vier soorten asfaltmoleculen; stap 1.5 - Bouw de asfaltstructuur met de scheur; stap 2.3 - Het evenwicht bereiken; stap 2.4 - Voer het zelfgenezende proces uit. Deze stappen geven de meest samenhangende en belangrijke inhoud van het protocol aan. Om de gewenste vormen van de ingebrachte scheur te creëren, wordt het verpakkingsproces aangepast ten opzichte van de normale verpakking in Materials Studio. De scheurvorm wordt gemaakt en...

Verslechtering onder dagelijkse voertuigbelastingen en verschillende omgevingsomstandigheden, en de veroudering van asfalt tijdens gebruik resulteren in degradatie of zelfs structurele storingen, d.w.z. scheuren en raveling, die de duurzaamheid van asfaltverhardingen verder kunnen verzwakken. De inherente reactie van asfalt om microscheuren en holtes te repareren, helpt het automatisch te herstellen van schade en de sterkte te herstellen1. Dit zelfherstellende vermogen kan de levensduur van asfalt aanzienlijk verlengen, onderhoudskosten besparen en de uitstoot van broeikasgassen verminderen 2,3. Het zelfherstellende gedrag van asfalt hangt over het algemeen af van verschillende beïnvloedende factoren, waaronder de chemische samenstelling, de mate van schade en omgevingsomstandigheden4. Het verbeterde zelfherstellend vermogen van asfalt dat schade binnen korte tijd volledig kan herstellen is gewenst; dit heeft uitgebreide onderzoeksinteresse getrokken naar betere mechanische prestaties en duurzaamheid voor asfaltverhardingen binnen de civiele techniek.
Nieuwe methoden om het zelfherstellend vermogen van asfalt te verbeteren, omvatten voornamelijk drie benaderingen - het induceren van verwarming, inkapselingsgenezing en het opnemen van nanomaterialen - die afzonderlijk of tegelijkertijd kunnen worden toegepast5,6. Het induceren van verwarming kan de mobiliteit van asfalt aanzienlijk verbeteren en de zelfherstellende werking ervan activeren voor herstel7. De zelfherstellende technologie van asfalt door verhitting op te wekken kan worden toegeschreven aan de geassisteerde zelfgenezende techniek, die aangeeft dat de zelfherstellende eigenschappen van asfalt worden verbeterd door externe stimuli. Het doel van het toevoegen van de staalwolvezels is om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren om de genezingscapaciteit van het asfaltbindmiddel te vergroten8. De benadering om warmte te induceren is om deze elektrisch geleidende vezels bloot te stellen aan het hoogfrequente wisselende elektromagnetische veld, dat wervelstromen kan induceren, en de warmte-energie kan door de geleidende vezels in het asfaltbindmiddel diffunderen9. De staalwolvezels verbeteren niet alleen de elektrische geleidbaarheid, maar ook de thermische geleidbaarheid, die beide de zelfherstellende eigenschappen van asfalt positief kunnen beïnvloeden. Het is echter een uitdaging om de juiste mengtijd voor vezels te selecteren10. De lengte van vezels neemt af met een langere mengtijd en beïnvloedt de thermische geleidbaarheid, terwijl de verminderde mengtijd leidt tot clusters van vezels en de mechanische eigenschappen van asfalt belemmert9. De inkapselingsmethode kan lichte componenten van verouderd asfalt leveren, zoals aromaten en verzadigde vetzuren, en het zelfherstellend vermogen van asfalt opfrissen11,12. Dit is echter een eenmalige behandeling en de helende materialen kunnen na de release niet worden aangevuld. Met de ontwikkeling van nanotechnologie zijn nanomaterialen veelbelovende modificatoren geworden voor het verbeteren van op asfalt gebaseerde materialen. Asfaltbinders verwerkt met nanomaterialen bieden een betere thermische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen13. Grafeen met uitstekende mechanische prestaties en hoge thermische prestaties wordt beschouwd als een uitstekende kandidaat om het zelfherstellend vermogen van asfalt te verbeteren14,15,16,17. De verhoogde helende eigenschappen van grafeen-gemodificeerd asfalt kunnen worden toegeschreven aan het feit dat grafeen de capaciteit van het asfaltbindmiddel verhoogt om te worden verwarmd en warmteoverdracht in het asfaltbindmiddel produceert, wat betekent dat grafeen-gemodificeerd asfalt sneller kan worden verwarmd en tot een hogere temperatuur kan reiken dan zuiver asfalt18. De gegenereerde warmte kan sneller door het grafeen gemodificeerde asfalt worden overgedragen dan die door zuiver asfalt. Het scheurgebied van het asfaltbindmiddel kan gemakkelijk worden beïnvloed en sneller worden genezen door de warmtestroom met een hogere temperatuur en een hogere verwarmingscapaciteit. De zelfgenezende reactie zal beginnen als de energie die gelijk is aan of groter is dan de helende activeringsenergie aanwezig is op het scheuroppervlak van het asfalt.19. Grafeen kan de thermische activering genezende prestaties verbeteren en de genezingssnelheid van asfalt versnellen19,20. Bovendien kan grafeen tot 50% verwarmingsenergie besparen tijdens het genezingsproces, wat de energie-efficiëntie ten goede kan komen en de onderhoudskosten kan verlagen21. Als een microgolfabsorberend materiaal wordt gemeld dat grafeen het genezend vermogen van asfalt verbetert tijdens de rustperiode van microgolfverwarming22. Verwacht wordt dat de toevoeging van grafeen aan asfalt niet alleen de mechanische prestaties zal verbeteren, maar ook het zelfherstellend en energiebesparend vermogen, wat een grondige kennis van het zelfherstellende mechanisme vereist.
Zelfgenezing op nanoschaal is vooral te danken aan de bevochtiging en diffusie van asfaltmoleculen bij de gebroken vlakken23. Omdat asfalt bestaat uit verschillende polaire en apolaire moleculen, is het zelfherstellend vermogen sterk gerelateerd aan moleculaire interacties en bewegingen van asfaltmoleculen van verschillende componenten1. Het huidige onderzoek is echter voornamelijk gebaseerd op experimentele technieken om macroscopische mechanische eigenschappen te kwantificeren, waardoor ontbrekende informatie ontstaat in de verandering van microstructuren en de interacties tussen asfaltmoleculen bij het proberen het genezingsmechanisme te begrijpen. Het versterkende mechanisme van grafeen in het zelfherstellend vermogen van asfalt is in dit stadium ook onduidelijk. Moleculaire dynamica (MD) simulaties spelen een invloedrijke rol bij het onderzoeken van moleculaire interacties en bewegingen van nanocomposietsystemen, en koppelen microstructurele vervorming aan moleculaire interacties en bewegingen 24,25,26,27,28,29,30,31 . MD-simulaties zijn steeds populairder geworden voor het analyseren van materiaalgedrag dat niet gemakkelijk toegankelijk is voor experimenten32,33. Bestaande studies hebben de haalbaarheid en beschikbaarheid van MD-simulaties in asfaltsystemen aangetoond; de cohesie, hechting, veroudering en thermomechanische eigenschappen van asfalt en asfaltcomposieten kunnen worden onderzocht door MD-simulaties 34,35,36,37. Het zelfherstellende gedrag van asfalt kan ook worden voorspeld door MD-simulaties 38,39,40. Daarom wordt aangenomen dat het onderzoek met behulp van MD-simulaties een effectieve manier is om zowel de zelfgenezende als de versterkende mechanismen te begrijpen.
De doelstellingen van deze studie zijn om het zelfherstellende gedrag van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerde asfaltnanocomposieten te onderzoeken en de rol van grafeen bij het verbeteren van het genezend vermogen van asfalt te begrijpen door middel van MD-simulaties. De zelfherstellende simulaties van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerde asfaltcomposieten worden uitgevoerd door scheuren in de oorspronkelijke structuren te introduceren. De zelfherstellende mogelijkheden worden gekenmerkt door de contouren van atoomnummers, de heroriëntatie en verstrengeling van moleculen aan het gebroken gezicht en de mobiliteit van asfaltcomponenten tijdens de zelfherstellende processen. Door de helende efficiëntie van grafeen op verschillende locaties te onderzoeken, wordt het versterkende mechanisme van grafeen onthuld dat bijdraagt aan het zelfherstellend vermogen van asfalt, dat kan helpen bij het optimaal monitoren van nanofillers en zo de levensduur van asfaltverhardingen mogelijk maakt. Een onderzoek naar het zelfherstellend vermogen op atomistische schaal kan een efficiënte manier zijn om geavanceerde op asfalt gebaseerde materialen te ontwikkelen voor toekomstig onderzoek.
Volgens de asfaltchemie bestaat asfalt uit verschillende soorten koolwaterstoffen en niet-koolwaterstoffen met verschillende polariteit en vormen, die voornamelijk kunnen worden onderverdeeld in de vier componenten asfalteen, polaire aromaten, nafteenaromaten en verzadigde stoffen41,42. Asfalteenmoleculen zijn relatief groter en zwaarder dan andere moleculen in asfalt, met een gemiddelde atoommassa van ongeveer 750 g/mol en een moleculaire diameter in het bereik van 10-20 Å. Het is algemeen aanvaard dat asfalteen is samengesteld uit grote aromatische kernen die heteroatomen bevatten en omgeven zijn door verschillende lengtes van alkylgroepen43. Er wordt een gemodificeerd asfalteenmolecuul geconstrueerd, zoals weergegeven in figuur 1a. De moleculen van polaire aromaten en nafteenaromaten zijn geconstrueerd op basis van de polariteit en de elementverhouding van asfaltmoleculen, waarbij benzobisbenzothiofeen (C18H10S2) het polaire aromatische molecuul vertegenwoordigt en 1,7-dimethylnaftaleen (C12H12) gekozen als het representatieve aromatische molecuul van nafteen, zoals weergegeven in figuur 1b-c. N-docosaan (n-C 22H46) is geconstrueerd zoals weergegeven in figuur 1d. De in tabel 1 vermelde parameters voor asfaltmoleculen worden geselecteerd en gebruikt om te voldoen aan de gewenste criteria, waaronder de elementaire massafractie, de atoomverhouding en de aromatische/alifatische verhouding van echt asfalt uit experimenten41. Dezelfde massaverhouding is gedefinieerd in onze eerdere studies en de andere thermomechanische eigenschappen zoals dichtheid, glasovergangstemperatuur en viscositeit komen goed overeen met experimentele gegevens van echt asfalt36. De moleculaire structuur van grafeen toegepast in deze studie is weergegeven in figuur 1e. De aangenomen grafeenplaat in deze studie heeft geen defect en geen vouw in vergelijking met die van het echte geval, terwijl de echte grafeenplaat meestal verschillende defecten heeft, zoals atomaire vacatures en Stone-Wales-defecten44, en sommige grafeenplaten kunnen tijdens het mengproces in de asfaltmatrix worden gevouwen45. Deze onvolmaakte situaties worden in deze studie niet overwogen, omdat we ons concentreren op het effect van de plaats van het grafeenblad op de zelfherstellende eigenschappen en deze als enige variabele kiezen. De variabelen van grafeenvellen in termen van de defecten en gevouwen gevallen zullen de focus zijn van onze toekomstige studies. De massaverhouding van grafeen tot asfalt in deze studie is 4,75%, wat de normale situatie (<5%) is voor grafeen gemodificeerd asfalt in het experiment46,47.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig01.jpg"> Figuur 1: Chemische structuur. De atomistische modellen van (a) asfalteenmolecuul (C53H55NOS), (b) aromatisch nafteen molecuul (C12H12), (c) polair aromatisch molecuul (C18H10S2), (d) verzadigd molecuul (C22H46), (e) grafeen en (f) zuiver asfalt. Voor het atomistische asfaltmodel worden de koolstof-, zuurstof-, stikstof-, zwavel- en waterstofatomen weergegeven in respectievelijk grijs, rood, blauw, geel en wit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Asfalt model</td>
			<td>Massa (g/mol)</td>
			<td>Chemische formule</td>
			<td>Aantal moleculen</td>
			<td>Totale massa (g/mol)</td>
			<td>Massafractie (%)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalteen</td>
			<td>754.04</td>
			<td>C53H55NOS</td>
			<td>43</td>
			<td>32423.72</td>
			<td>26</td>
		</tr>
<tr>
<td>Nafteen aromatisch</td>
			<td>156.22</td>
			<td>C12H12
</td>
			<td>65</td>
			<td>10154.3</td>
			<td>8</td>
		</tr>
<tr>
<td>Polair aromatisch</td>
			<td>290.38</td>
			<td>C18H10S2
</td>
			<td>74</td>
			<td>21485.16</td>
			<td>17</td>
		</tr>
<tr>
<td>Verzadigen</td>
			<td>310.59</td>
			<td>C22H46
</td>
			<td>205</td>
			<td>63670.95</td>
			<td>49</td>
		</tr>
<tr>
<td>Asfalt bindmiddel</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>387</td>
			<td>127734.13</td>
			<td>100</td>
		</tr>
<tr>
<td>Grafeen</td>
			<td>6369.28</td>
			<td>C525H63
</td>
			<td>1</td>
			<td>6369.28</td>
			<td></td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 1: Algemene componenten van het zuivere asfaltmodel en het grafeen-gemodificeerde asfaltmodel.
Met betrekking tot het hieronder beschreven protocol worden twee soorten wigachtige scheuren met verschillende afmetingen in het midden van het asfaltmodel gestoken met een stompe scheurpunt en twee parallelle scheuroppervlakken, terwijl het middelste bovenste gedeelte van de asfaltmassa intact blijft. Twee scheurbreedtes zijn gekozen als 15 Å en 35 Å, zoals weergegeven in figuur 2a-b. De reden voor het selecteren van 15 Å is dat de scheurbreedte breder moet zijn dan de afsnijding van 12 Å om de vroege zelfgenezing van asfaltmoleculen tijdens het evenwichtsproces te voorkomen tijdens het onderzoeken van een extreem geval voor een kleine scheur. De reden voor de keuze voor 35 Å is dat de scheurbreedte breder moet zijn dan de lengte van de verzadigde moleculen van 34 Å om het overbruggingseffect te voorkomen. De hoogte van de scheur is 35 Å, hetzelfde als de doosbreedte, en de diepte van de scheur is 70 Å, hetzelfde als de dooslengte. In de echte situatie kunnen de waargenomen microscheurgroottes worden gevarieerd in het bereik van enkele micrometers tot enkele millimeters, wat veel groter is dan de lengteschaal die we hier modelleren. Normaal gesproken is de lengteschaal in MD-simulatie beperkt tot de schaal van 100 nm, wat nog steeds enkele ordes van grootte kleiner is dan de echte scheurgrootte. De scheuren ontstaan echter op nanoschaal en groeien uit tot scheuren op macroschaal met continue vervorming48. Het begrip van het zelfherstellende mechanisme op nanoschaal kan helpen om de groei en verdere voortplanting van de scheur op macroschaal te voorkomen. Hoewel de geselecteerde scheurgroottes binnen het bereik van nanometer liggen, kunnen de resultaten nog steeds invloedrijk en toepasbaar zijn om het zelfherstellende gedrag van asfaltmoleculen te onderzoeken. Er zijn twee locaties voor de grafeenplaten in de scheurgebieden: de ene bevindt zich bovenop de scheurpunt en de andere staat loodrecht op het linker scheuroppervlak. Het is gebleken dat dit de meest voorkomende posities zijn voor grafeen in grafeen-gemodificeerde nanocomposieten met scheuren49.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63303/63303fig02.jpg"> Figuur 2: De zelfherstellende schema's voor zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt. Het zelfherstellende model van zuiver asfalt met een scheurbreedte van (a) 15 Å en (b) 35 Å. Het zelfherstellende model van grafeen-gemodificeerd asfalt met de grafeenplaat bevindt zich (c) aan de bovenkant van de scheurpunt en (d) loodrecht op het scheuroppervlak. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63303/63303fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
In MD-simulaties worden de intramoleculaire en intermoleculaire interacties in de asfaltnanocomposieten beschreven door het Consistent Valence Forcefield (CVFF)50, dat goed werkt met op asfalt en grafeen gebaseerde materialen. De functionele vorm van CVFF wordt uitgedrukt als de volgende uitdrukking:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/63303/63303eq01v2.jpg"> 1
Hier is de totale energie Etotaal samengesteld uit de gebonden energie termen en de niet-gebonden energie termen. De gebonden interacties bestaan uit de covalente bindingsrek, de bindingshoekbuigenergie, de torsiehoekrotatie en de onjuiste energieën zoals uitgedrukt in de eerste vier termen. De niet-gebonden energie omvat een LJ-12-6 functie voor de term van der Waals (vdW) en een Coulombic functie voor de elektrostatische interacties. CVFF is op grote schaal gebruikt bij het simuleren van asfaltmaterialen51,52. De gesimuleerde fysische en mechanische eigenschappen zoals dichtheid, viscositeit en bulkmodulus komen goed overeen met de experimentele gegevens, die de betrouwbaarheid van CVFF51 aantonen. CVFF is niet alleen geschikt voor anorganische materialen, maar het is ook met succes toegepast in structuren bestaande uit organische en anorganische fasen zoals asfalt-silica52 en het systeem van epoxy-grafeen53. Daarnaast kunnen de interfaciale interacties tussen grafeen en asfalt worden gekarakteriseerd door CVFF36,54. Aangezien het grootste deel bij het selecteren van krachtveld het bepalen van het asfalt-grafeen-interface is, zijn de niet-gebonden interacties beschreven door CVFF betrouwbaarder, wat ook in onze vorige studie wordt overwogen36. Over het algemeen wordt in deze studie het krachtveld CVFF overgenomen. De partiële ladingen voor verschillende soorten atomen worden berekend volgens de krachtveld-toegewezen methode.

<table><tbody><tr><td>Atomistische modellen van asfalt en grafeen/Materials Studio</td><td>BIOVIA</td><td>Materials Studio 8.0</td><td>De atomistische modellen zijn gebouwd voor moleculaire dynamica simulaties.</td></tr><tr><td>Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package</td><td>Sandia National Laboratories</td><td>lammps-stable20</td><td>Het evenwicht wordt bereikt onder NPT ensemble, en de atomistische modellen genezen zelf.</td></tr><tr><td>OVITO</td><td>Materials Science Department van Technische Universität Darmstadt, Duitsland</td><td>ovito-basic-3.1.0-win64</td><td>Het zelfhelende gedrag van de atomistische modellen wordt gevisualiseerd.</td></tr><tr><td>Origin</td><td>OriginLab</td><td>Origin 2018 64Bit</td><td>De contouren van de atoomnummers van de baan worden getekend en geanalyseerd.</td></tr></tbody></table>

geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht

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

Grafeen kan de zelfherstellende eigenschappen van asfalt met een hoge duurzaamheid verbeteren. Het zelfherstellende gedrag van grafeen-gemodificeerd asfalt nanocomposiet en de rol van opgenomen grafeen zijn in dit stadium echter nog onduidelijk. In deze studie worden de zelfherstellende eigenschappen van zuiver asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt onderzocht door middel van moleculaire dynamica simulaties. Asfaltbulten met twee scheurbreedtes en locaties voor grafeen worden geïntroduceerd en de moleculaire interacties tussen asfaltcomponenten en de grafeenplaat worden geanalyseerd. De resultaten tonen aan dat de locatie van grafeen het zelfherstellende gedrag van asfalt aanzienlijk beïnvloedt. Grafeen in de buurt van het scheuroppervlak kan het zelfherstellende proces aanzienlijk versnellen door interactie met de aromatische moleculen door π-π stapeling, terwijl grafeen in het bovenste gedeelte van de scheurpunt een kleine invloed heeft op het proces. Het zelfherstellende proces van asfalt gaat door de heroriëntatie van asfalteen, polaire aromatische en nafteen aromatische moleculen, en het overbruggen van verzadigde moleculen tussen scheuroppervlakken. Dit diepgaande begrip van het zelfherstellende mechanisme draagt bij aan de kennis van de verbetering voor zelfherstellende eigenschappen, die zullen helpen bij het ontwikkelen van duurzame asfaltverhardingen.

De contour van het atoomnummer De contouren van het atoomnummer van zuivere asfalt- en grafeen-gemodificeerde asfaltmodellen in het yz-vlak worden weergegeven in figuur 3, waar de kleurenbalk van blauw naar rood atoomnummers vertoont die variëren van 0 tot 28. Figuur 3a-c illustreert de contour van het atoomnummer van de structuren met 15 Å scheurbreedte in zuiver asfalt en asfaltnanocomposieten gemodificeerd...

Grafeen-gemodificeerd asfalt nanocomposiet heeft een geavanceerd zelfherstellend vermogen getoond in vergelijking met zuiver asfalt. In dit protocol zijn moleculaire dynamica simulaties toegepast om de rol van grafeen in het zelfgenezende proces te begrijpen en om het zelfgenezende mechanisme van asfaltcomponenten vanaf atomistisch niveau te verkennen.

Geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht

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

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van hele scheuren in asfalt op basis van de nanocomposieten en hoe grafiet de capaciteit van asfalt kan verbeteren. Deze techniek kan materiaalgedrag analyseren dat niet gemakkelijk door experimenten kan worden beoordeeld en kan de onderliggende informatie over het zelfherstellende mechanisme op atomistisch niveau bieden. Deze methode zou inzicht kunnen geven in de fundamentele fysica van dynamische evolutie in verschillende materiaalsystemen, waaronder inorgi-anorganische systemen en gerelateerde interfaces, of zelfs naar elektromoleculen kunnen kijken.Als men niet bekend is met deze techniek, moet men de basistheorie van molecuuldynamische simulaties begrijpen en de basisbetekenis van elk commando achterhalen voordat er simulaties worden uitgevoerd. Om te beginnen opent u de materiaalstudiosoftware, maakt u een driedimensionaal atomistisch document voor grafijn en bouwt u het grafijnmodel met behulp van de schetsatoomoptie. Na het importeren van het MSI-bestand met de grafietpunt in material studio, construeert u in het build-menu onder symmetrie de uiteindelijke structuur met behulp van de superceloptie.Definieer de grootte van de grafijnplaat als 40 bij 40 angstroms, wat groter is dan de asfaltkettingen in de scheurbreedte. Om vervolgens de vier soorten asfaltmoleculen te bouwen en te verpakken, maakt u de driedimensionale atomistische documenten voor asfalteen, polaire aromaten, naptheenaromaten en verzadigde vetzuren afzonderlijk. Teken vervolgens met behulp van de schetsatoomoptie de moleculaire structuren van deze moleculen.Vervolgens, met behulp van de berekeningsoptie uit het amorfe celmenu onder modules, verpak deze vier soorten asfaltmoleculen in de simulatiebox. Om vervolgens de asfaltstructuur met de scheur te bouwen, stelt u de hoogte van de scheurzone in de X-dimensie in, hetzelfde als de hoogte van de doos van 70 angstroms, en stelt u de diepte van de scheurzone in de Y-dimensie in op de helft van de hoogte van de doos als 35 angstroms. Stel twee kasten van de scheurbreedtes in de Z-dimensie van 15 en 35 angstroms.Verwijder vervolgens met behulp van de verwijderoptie de overbodige moleculen in de scheurzones van het middelste neerwaartse gebied van asfaltmassa en houd de asfaltmatrix in het middelste gebied ongewijzigd. Om evenwicht te bereiken, plaatst u de hele simulatiebox volledig ontspannen na 500 picoseconden onder het isothermische ensemble met een temperatuur van 300 Kelvin in druk van 1 atmosfeer. Breng vervolgens met behulp van het thermische commando de asfaltmassa in evenwicht met de gewenste dichtheidswaarde van de experimentele metingen door de temperatuur, druk, dichtheid en energiewaarden voortdurend te onderzoeken.Controleer de convergentie van potentiële energie in de gemiddelde kwadraatverplaatsing in het hele systeem voor het bereiken van de volledig ontspannen toestand. Om vervolgens het zelfherstellende proces uit te voeren, plaatst u de hele simulatiebox onder het isothermische ensemble met een temperatuur van 300 Kelvin en een druk van 1 atmosfeer. Verwijder vervolgens de beperking van de asfaltmoleculen op de contour van de scheurzone.Volg en registreer de grootte van de simulatiebox in de coördinaten van de atomen. Gebruik vervolgens de opdracht dumpen voor nabewerking. Ten slotte, gemiddelde de simulatieresultaten tijdens het zelfherstellende proces over 3 onafhankelijke configuraties met 3 verschillende initiële snelheidszaden om de willekeurige fouten te verminderen.Voor het visualiseren van het zelfherstellende gedrag en de voortgang van de simulatie, opent u de open visualisatietool OVITO "en opent u vervolgens de trajectbestanden in het LAMMPS TRJ-formaat gegenereerd door LAMMPS. Neem de snapshots van het zelfherstellende proces op en volg vervolgens met behulp van het render-commando de paden van de asfaltmoleculen. Om vervolgens de contour van het atoomnummer te analyseren, exporteert u de coördinaten van de atomen uit de trajectbestanden naar de gegevensanalyse- en grafieksoftware.Projecteer de coördinaten van de atomen in het hele systeem op het YZ-vlak, noteer vervolgens atoomnummers op verschillende gebieden van het YZ-vlak en plot de contour met verschillende kleuren. Analyseer vervolgens de atoommobiliteit van verschillende asfaltcomponenten door de gemiddelde kwadraatverplaatsing te berekenen met behulp van de rekenopdracht MSD. Bereken vervolgens met behulp van het rdf-commando en LAMMPS de relatieve posities tussen de grafijn- en asfaltmoleculen door de radiale distributiefactor, of RDF-curven, voor de grafische gemodificeerde asfaltsystemen met de 15 en 35 angstrom scheurbreedtes.Teken ten slotte de RDF-curven om te controleren hoe de dichtheid van asfalt varieert als functie van de afstand tot de grafijnplaat. Voor zuiver asfalt vindt volledige zelfgenezing plaats na 300 picoseconden. De scheurzone neemt sterk af bij 50, verdwijnt bijna op 200 picoseconden.Het inbrengen van de grafijn aan de linkerkant van het scheuroppervlak kan het zelfherstellende proces aanzienlijk versnellen. De genezingsperiode verkort tot 200 picoseconden, waarbij de scheurbreedte aanzienlijk afneemt bij 20 en bijna verdwijnt op ongeveer 150 picoseconden. Het zelfherstellende gedrag verbeterde aanzienlijk wanneer de grafijnplaat zich aan het linker scheuroppervlak bevindt.Wanneer grafine aan het linker scheuroppervlak wordt geplaatst, verbeterden de beweeglijkheden van polaire aromaten, naptheenaromaten en grafijn aanzienlijk in vergelijking met die van zuiver asfalt. RDF-waarden tussen grafijn aan het linker scheuroppervlak in de asfaltcomponenten voor het 15 angstrom scheurbreedtemodel laten zien dat de aromatische moleculen en asfalt dichter bij de grafijnplaat komen, vooral de polaire aromatische moleculen en naptheen aromatische moleculen. Waar het 35 angstrom scheurbreedtemodel RDF-waarden boven 4 angstroms duidelijker zijn dan die van het 15 angstrom scheurbreedtemodel omdat asfaltiet meer ruimte heeft om te diffunderen en naar de grafijn te bewegen in de grotere scheurzone.Het is erg belangrijk om een redelijke scheur in het asfaltmodel te plaatsen en ervoor te zorgen dat een scheur goed wordt onderhouden en het systeem volledig in evenwicht is. Kostenkorrelmodellering kan worden uitgevoerd op basis van deze procedure om een breder bereik van lengteschaal te omarmen, en verder wordt gebracht, de zelfgenezing van scheur in asfalt op verschillende schalen. Deze techniek kan de moleculaire structuur van nanovullers met een speciaal ontwerp bewaken en optimaliseren, zoals defecten, fotostructuur en functionele groepen voor geavanceerde verbetering van op asfalt gebaseerde nanocomposieten.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Grafeen biedt potentieel als bekledingsmateriaal voor biomedische implantaten. In deze studie tonen we een werkwijze voor het bekleden nitinol-legeringen met nanometer dikke lagen grafeen en bepalen hoe grafeen kan implantaat respons beïnvloeden.

Grafeen Coatings voor Biomedische implantaten

Deze videomethode beschrijft de synthese van 3D monolithische grafietmaterialen met een hoog oppervlak, afgeleid van polymeervoorlopers, evenals enkellaags grafietoxide.

Synthese en functionalisering van 3D Nano-grafeen Materialen: Grafeen Aerogels en Grafeen Macro Assemblies

De integratie van geleidende nanodeeltjes, zoals grafeen nanoplatelets, in glasvezel composiet materialen zorgt voor een intrinsiek elektrisch netwerk gevoelig voor stam. Hier staan ​​diverse methoden om spanning sensoren gebaseerd op de toevoeging van grafeen nanoplatelets in de epoxy matrix of bekleding op glasvezels voorgesteld verkrijgen.

Strain Sensing Gebaseerd op Multiscale Composite Materials versterkt met Grafeen Nanoplatelets

In dit werk werden poly(melkzuur)/polyethyleenglycol (PLA/PEG) scaffolds bereid door gebruik te maken van een combinatie van smeltmengen en selectieve uitloging. De hier besproken methode maakte het mogelijk om drie-laags scaffolds te ontwikkelen door zowel de porositeit als de poriëngrootte nauwkeurig te beheersen. De mechanische eigenschappen werden ook geëvalueerd in een fysiologische omgeving.

Een Facile en Eco-vriendelijke Route naar Poly (melkzuur) Steigers met Graded Pore Size Fabriceer

Een procedure voor de synthese van polystyreen-geënt multiwalled koolstof nanotubes met behulp van opeenvolgende chemische wijziging stappen om selectief kennismaken met de polymeerketens de zijwanden en hun zelf-assemblage via anisotrope vlekkerigheid is gepresenteerd.

Multiwalled koolstof Nanotubes met polystyreen om zelf-assemblage en anisotrope vlekkerigheid enten

Hier presenteren we een protocol voor de fabrikatie van C60/graphene hybride nanostructuren door fysieke thermische verdamping. In het bijzonder de juiste manipulatie van afzetting en onthardende voorwaarden toestaan dat de controle over de oprichting van 1D en quasi 1 d C60 structuren op golfde grafeen.

Bereiding en karakterisatie van C60/Graphene hybride nanostructuren

Hier presenteren we een protocol voor de fabricage van 3D grafeen gebaseerde polyhedrons via origami-achtige zelf vouwen.

Fabricage van driedimensionale grafeen gebaseerde Polyhedrons via Origami-achtige zelf vouwen

In dit manuscript demonstreren we de bereiding van een biohybride hydrogel bioink met grafeen voor gebruik in perifere tissue engineering. Met behulp van dit 3D-biohybride materiaal wordt het neurale differentiatieprotocol van stamcellen uitgevoerd. Dit kan een belangrijke stap zijn om vergelijkbare biomaterialen naar de kliniek te brengen.

Voorbereiding en karakterisering van op grafeen gebaseerde 3D biohybride hydrogel bioink voor perifere neuro-engineering

Nieuwe nanocomposieten van grafeen nanoribbons en hydroxyapatiet nanodeeltjes werden bereid met behulp van oplossingsfase synthese. Deze hybriden kunnen, wanneer ze worden gebruikt in bioactieve steigers, potentiële toepassingen vertonen in tissue engineering en botregeneratie.

Synthese van grafeen-hydroxyapatiet nanocomposieten voor potentieel gebruik in bone tissue engineering

Dit artikel presenteert een geoptimaliseerd, op ervaring gebaseerd protocol voor het vervaardigen van hoogwaardige op grafeen gebaseerde moiré-superroosterapparaten met nauwkeurige draaihoeken, met behulp van een aangepaste droge overdrachtstechniek op basis van een zeer afstembare, op maat gemaakte overdrachtsopstelling.

Geoptimaliseerde fabricageprocedure voor hoogwaardige Moiré Superlattice-apparaten op basis van grafeen

Ontdek moleculaire dynamica-simulaties voor zelfhelend asfalt versterkt met grafeen. Deze methode onthult atomistische interacties die de duurzaamheid van wegeninfrastructuur verbeteren.

Geavanceerd zelfherstellend asfalt versterkt door grafeenstructuren: een atomistisch inzicht

Meer video's verkennen