Zaawansowany samonaprawiający się asfalt wzmocniony strukturami grafenu: atomistyczny wgląd

Ta metoda może pomóc w rozwiązaniu problemów z samoregeneracją całych pęknięć w nanokompozytach na bazie asfaltu oraz w jaki sposób grafit może poprawić wydajność asfaltów. Technika ta może analizować zachowania materiałów, których nie można łatwo ocenić za pomocą eksperymentów, i może dostarczyć podstawowych informacji o mechanizmie samoleczenia na poziomie atomowym. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat fundamentalnej fizyki dynamicznej ewolucji w różnych układach materialnych, w tym układach inorgi-inorganicznych i powiązanych interfejsach, a nawet przyjrzeć się cząsteczkom elektronów.

Jeśli nie jesteś zaznajomiony z tą techniką, powinieneś zrozumieć podstawową teorię symulacji dynamiki molekuł i ustalić podstawowe znaczenie każdego polecenia przed przeprowadzeniem jakichkolwiek symulacji. Aby rozpocząć, otwórz oprogramowanie Material Studio, a następnie utwórz trójwymiarowy atomistyczny dokument dla grafinu i zbuduj model grafinowy, korzystając z opcji szkicu atomu. Po zaimportowaniu pliku MSI z grafitową kropką do studia materiałowego, w menu budowania w obszarze symetria skonstruuj ostateczną strukturę za pomocą opcji super komórki.

Zdefiniuj rozmiar arkusza grafiny jako 40 na 40 angstremów, który jest większy niż łańcuchy asfaltowe w szerokości pęknięcia. Następnie, aby zbudować i upakować cztery rodzaje cząsteczek asfaltu, stwórz osobno trójwymiarowe dokumenty atomistyczne dla asfaltenu, polarnych aromatów, aromatów naptenu i nasyceń. Następnie za pomocą opcji szkic atomu narysuj struktury molekularne tych cząsteczek.

Następnie, korzystając z opcji obliczeń z menu komórki amorficznej w modułach, zapakuj te cztery rodzaje cząsteczek asfaltu do pudełka symulacji. Następnie, aby zbudować strukturę asfaltową z pęknięciem, ustaw wysokość strefy pęknięcia w wymiarze X, taką samą jak wysokość pudełka 70 angstremów, a głębokość strefy pęknięcia w wymiarze Y ustaw na połowę wysokości pudełka jako 35 angstremów. Ustaw dwie obserwacje szerokości rys w wymiarze Z 15 i 35 angstremów.

Następnie, korzystając z opcji usuwania, usuń zbędne cząsteczki w strefach pęknięć środkowego obszaru masy asfaltowej i pozostaw matrycę asfaltową w środkowym obszarze bez zmian. Aby osiągnąć równowagę, należy umieścić całe pudełko symulacyjne w pełni zrelaksowane po 500 pikosekundach pod izotermicznym zespołem izobarycznym o temperaturze 300 kelwinów pod ciśnieniem 1 atmosfery. Następnie, za pomocą polecenia termicznego, zrównoważyć masę asfaltu do żądanej wartości gęstości pomiarów eksperymentalnych, stale badając wartości temperatury, ciśnienia, gęstości i energii.

Sprawdź zbieżność energii potencjalnej w przemieszczeniu średniokwadratowym w całym układzie dla osiągnięcia stanu pełnego relaksu. Następnie, aby przeprowadzić proces samonaprawy, należy umieścić całe pudełko symulacyjne pod izotermicznym zespołem izobarycznym o temperaturze 300 kelwinów i ciśnieniu 1 atmosfery. Następnie usuń ograniczenie cząsteczek asfaltu na konturze strefy pęknięć.

Śledź i zapisuj rozmiar pola symulacji we współrzędnych atomów. Następnie użyj polecenia zrzutu do przetwarzania końcowego. Na koniec uśrednij wyniki symulacji podczas procesu samonaprawy w 3 niezależnych konfiguracjach z 3 różnymi początkowymi źródłami, aby zmniejszyć losowe błędy.

Aby zobrazować zachowania samonaprawiające i postęp symulacji, otwórz otwarte narzędzie do wizualizacji OVITO"następnie otwórz pliki trajektorii w formacie LAMMPS TRJ wygenerowanym przez LAMMPS. Nagraj migawki procesu samonaprawy, a następnie, za pomocą polecenia render, śledź ścieżki cząsteczek asfaltu. Następnie, aby przeanalizować kontur liczby atomów, wyeksportuj współrzędne atomów z plików trajektorii do oprogramowania do analizy danych i tworzenia wykresów.

Rzutuj współrzędne atomów w całym układzie na płaszczyznę YZ, a następnie zapisz liczby atomów w różnych obszarach płaszczyzny YZ i wykreśl kontur różnymi kolorami. Następnie przeanalizuj ruchliwość atomów różnych składników asfaltu, obliczając średnie kwadratowe przemieszczenie za pomocą polecenia compute MSD. Następnie, korzystając z polecenia compute RDF i LAMMPS, oblicz względne położenie między cząsteczkami grafiny i asfaltu za pomocą współczynnika rozkładu promieniowego lub krzywych RDF, dla wykresów zmodyfikowanych systemów asfaltowych o szerokości pęknięć 15 i 35 angstremów.

Na koniec narysuj krzywe RDF, aby sprawdzić, jak zmienia się gęstość asfaltu w funkcji odległości od arkusza grafiny. W przypadku czystego asfaltu całkowita samoregeneracja następuje po 300 pikosekundach. Strefa pęknięcia gwałtownie zmniejsza się przy 50, prawie znika po 200 pikosekundach.

Wstawienie grafiny po lewej stronie powierzchni pęknięcia może znacznie przyspieszyć proces samonaprawy. Okres gojenia skraca się do 200 pikosekund, przy czym szerokość pęknięcia znacznie maleje przy 20 pikosekundach i prawie zanika po około 150 pikosekundach. Zachowania samonaprawiające się znacznie się poprawiły, gdy arkusz grafiny znajduje się na lewej powierzchni pęknięcia.

Gdy grafin zostanie umieszczony na lewej powierzchni pęknięcia, ruchliwość polarnych związków aromatycznych, aromatów naptenu i grafiny znacznie się poprawi w porównaniu z czystym asfaltem. Wartości RDF między grafiną na lewej powierzchni pęknięcia w składnikach asfaltu dla modelu szerokości pęknięć 15 angstremów pokazują, że cząsteczki aromatyczne i asfalt zbliżają się do arkusza grafiny, zwłaszcza polarne cząsteczki aromatyczne i cząsteczki aromatyczne natenu. Tam, gdzie model szerokości pęknięcia 35 angstremów, wartości RDF powyżej 4 angstremów są bardziej oczywiste niż te w modelu szerokości pęknięcia 15 angstremów, ponieważ asfaltyt ma więcej miejsca na dyfuzję i przemieszczanie się w kierunku grafiny w większej strefie pęknięcia.

Bardzo ważne jest, aby ustawić rozsądne pęknięcie w modelu asfaltu, jednocześnie upewniając się, że pęknięcie jest dobrze utrzymane, a system jest w pełni zrównoważony. Modelowanie ziarna kosztowego można przeprowadzić w oparciu o tę procedurę, aby objąć szerszy zakres skali długości, a ponadto przynosi się samonaprawianie pęknięć w asfalcie w różnych skalach. Technika ta może monitorować i optymalizować strukturę molekularną nanowypełniaczy o specjalnej konstrukcji, takiej jak defekty, fotostruktura i grupy funkcyjne w celu zaawansowanego ulepszania nanokompozytów na bazie asfaltu.