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Engineering

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

Published: May 31, 2022 doi: 10.3791/63303
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong
* These authors contributed equally

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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(<5%)이다.

Figure 1
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. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

아스팔트 모델 질량 (g / 몰) 화학식 분자의 수 총 질량 (g / 몰) 질량분율(%)
아스팔텐 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
나프텐 아로마 156.22 C12H12 65 10154.3 8
극성 방향족 290.38 C18H10S2 74 21485.16 17
포화 310.59 C22H46 205 63670.95 49
아스팔트 바인더 387 127734.13 100
그래핀 6369.28 C525H63 1 6369.28

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.

Figure 2
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. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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.

Equation 1 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.

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Protocol

1. 원자 모델 구축

  1. Materials Studio 소프트웨어를 열어 다섯 개의 3D 원자 문서를 만들고 이러한 문서의 이름을 각각 그래핀, 아스팔텐, 극성 방향족, 나프텐 방향족제 및 포화로 바꿉니다.
  2. 스케치 원자( Sketch Atom ) 옵션을 사용하여 3D 원자 문서에서 그래핀 시트의 단위 셀을 생성하여 그래핀 모델을 빌드합니다.
  3. 빌드 > 대칭 메뉴의 Supercell 옵션을 사용하여 최종 구조를 구성합니다. 그래핀 시트의 크기를 아스팔트 체인 및 균열 폭보다 큰 40 Å x 40 Å로 정의하십시오.
  4. 네 가지 유형의 아스팔트 분자를 만들고 포장하십시오.
    1. 스케치 원자(Sketch Atom) 옵션을 사용하여 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화도의 분자 구조를 별도로 그립니다.
    2. 비 정질 세포 모듈 메뉴의 계산 옵션을 사용하여 네 가지 종류의 아스팔트 분자를 시뮬레이션 상자> 포장합니다.
  5. 균열이있는 아스팔트 구조를 구축하십시오.
    1. x 치수의 균열 영역의 높이를 상자 높이와 동일하게 70 Å로 설정하고 y 차원의 균열 영역의 깊이는 상자 높이의 절반을 35 Å로 설정합니다.
    2. 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.
  6. 균열이있는 그래핀 개질 아스팔트 구조를 구축하십시오. 복사 + 붙여넣기 명령을 사용하여 포장 단계 전에 그래핀 시트를 균열 팁의 상단 영역과 왼쪽 균열 표면에 별도로 통합합니다.
  7. 표 1에 열거된 최종 조성에 기초하여 시뮬레이션 박스에 아스팔트 분자를 포장하여 그래핀 개질된 아스팔트 구조를 구성한다.
  8. 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.

2. 시뮬레이션 수행

  1. 시뮬레이션의 매개 변수를 정의합니다.
    1. 수행된 시뮬레이션의 정확도와 효율성의 균형을 고려하여 입력 파일에서 시간 단계를 1fs로 설정합니다.
    2. 비결합 상호작용의 컷오프 거리를 주기적 경계 조건과 계산 효율을 고려하여 시뮬레이션 박스 길이의 절반 미만인 12 Å로 설정합니다.
    3. 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.
  2. 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.
  3. 평형 달성
    1. 300K의 온도와 1기압의 압력으로 등온-등압(NPT) 앙상블 아래에서 500ps 후에 전체 시뮬레이션 박스를 완전히 이완시키십시오.
    2. 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.
    3. 완전히 이완된 상태를 달성하기 위해 전체 시스템에서 전위 에너지와 평균 제곱 변위(MSD)의 수렴을 확인하십시오.
  4. 자가 치유 과정을 수행하십시오.
    1. 전체 시뮬레이션 박스를 NPT 앙상블 아래에 온도 300K, 압력 1기압으로 설정합니다.
    2. 균열 영역의 윤곽선에있는 아스팔트 분자의 제약 조건을 제거하십시오.
    3. 시뮬레이션 상자의 크기와 원자의 좌표를 추적 및 기록하고 사후 처리를 위해 Dump 명령을 사용합니다.
    4. 무작위 오류를 줄이기 위해 세 개의 서로 다른 초기 속도 시드를 가진 세 개의 독립적인 구성에 대한 자체 복구 프로세스 중 시뮬레이션 결과를 평균화합니다.

3. 후처리

  1. 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.
  2. 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.
  3. 원자 이동성과 상대적 위치를 분석합니다.
    1. Compute msd 명령을 사용하여 MSD(평균 제곱 변위)로 여러 아스팔트 성분의 원자 이동성을 분석합니다.
    2. 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.
    3. RDF 곡선을 그려 아스팔트의 밀도가 그래핀 시트와의 거리의 함수로 어떻게 변하는지 확인하십시오.

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Representative Results

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 나타냅니다. 약 100ps에서 균열 영역은 작은 공극이 남아 거의 닫히고 초기 균열 표면의 색상이 녹색으로 변경되어 자체 치유 과정이이 영역에서 완료되었음을 나타냅니다. 그러나 여전히 자기 치유를 위해 파란색과 흰색 영역이 남아 있습니다. 약 300 ps 후, 균열 영역의 색상의 대부분은 녹색으로 바뀌었고, 이는 아스팔트 벌크의 색상과 동일하며, 이는 자체 치유 과정이 완료되었음을 나타냅니다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 자가 치유 과정은 균열의 상부에 그래핀 시트를 첨가한 후에 크게 변화되지 않는다. 자가 치유 과정은 완료하는 데 약 500ps가 걸리고 균열 영역은 50ps에서 급격히 감소하고 200ps에서 거의 사라집니다. 균열 팁의 상단에있는 그래핀 시트는 균열 표면의 자체 치유 과정에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 그러나, 균열 표면의 좌측에 그래핀을 삽입하는 것은 도 3c에 도시된 바와 같이, 자기 치유 과정을 상당히 가속화시킬 수 있으며, 여기서 윤곽선의 적색 선은 그래핀 시트이다. 자가 치유 기간은 약 200ps로 단축되며, 이는 순수한 아스팔트의 절반 정도입니다. 균열 폭은 20ps에서 상당히 감소하고, 벌크로부터의 아스팔트 분자는 그래핀 영역으로 이동하여 균열 영역을 채우는 경향이 있다. 균열 영역은 약 150ps에서 거의 사라지지만 바닥의 일부 영역은 파란색으로 유지됩니다. 자가 치유 과정의 또 다른 50 ps 후에, 균열 영역은 과정의 끝을 나타내는 파란색으로 가득 차 있습니다.

균열 폭이 35 Å 인 모델의 자체 치유 과정은 균열 너비가 15 Å 인 모델의 약 두 배에 달하는 반면, 순수한 아스팔트의 자체 치유 과정은 약 1,000 ps만큼 지속됩니다. 자가 치유 동작은 균열 팁 영역에서 시작되며 균열 모양은 100ps에서 축소되고 불규칙해집니다. 균열 영역의 대부분은 500ps에 의해 치유되며, 균열 영역의 중간에 작은 공극이 남아 있습니다. 다른 500 ps에 대한 자기 치유 과정을 수행 한 후, 균열 영역은 자기 치유 과정이 완료 될 때까지 아스팔트 분자로 채워진다. 그래핀 시트는 도 3e의 적색 선으로 표시된 바와 같이 크랙 팁의 상부에 위치한다. 자가 치유 기간은 약 1,100ps이며, 이는 순수한 아스팔트에 가깝습니다. 그러나 균열 모양은 다르게 변합니다. 약 400ps에서 균열 영역을 연결하는 아스팔트 분자가있어 자체 치유 과정을 진행할 수 있습니다. 도 3f에 도시된 바와 같이, 자기 치유 거동은 그래핀 시트가 좌측 크랙 표면에 위치할 때 상당히 개선될 수 있다. 15 Å 균열 폭을 가진 모델과 유사한 현상을 관찰 할 수 있습니다 : 아스팔트 벌크의 아스팔트 분자 중 일부는 그래핀 영역으로 이동하여 그래핀 시트 주위를 감싸는 경향이 있으며, 이는 균열 영역을 크게 감소시키고 자체 치유 과정을 도울 수 있습니다. 균열의 폭은 단지 50 ps에 의해 초기 균열 폭의 약 절반으로 감소되고, 균열 영역의 대부분은 약 300 ps에서 치유된다. 전체 자체 치유 과정은 약 600ps까지 지속되며 대부분의 균열 영역은 사라집니다. 이것은 순수한 아스팔트가 걸리는 시간의 절반 밖에 걸리지 않습니다.

Figure 3
그림 3: 자가 치유 과정 중 원자 수의 윤곽선. (a) 순수 아스팔트, (b) 균열 팁의 그래핀, 및 (c) 균열 팁의 좌면에 그래핀에 대한 15 Å 균열 폭을 갖는 모델에 대한 자기 치유 과정 동안의 원자 수의 윤곽선, 및 (d) 순수 아스팔트, (e) 균열 팁의 그래핀에 대해 35 Å 크랙 폭을 갖는 모델, 및 (f) 균열 팁의 좌측 표면에서 그래핀. 점선으로 표시된 블랙 박스는 그래핀의 위치를 나타냅니다. 파란색에서 빨간색으로 색상 막대는 윤곽선에서 0에서 28까지 다양한 원자 번호를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

분자 상호 작용
순수 아스팔트와 그래핀 개질 아스팔트 복합 재료 간의 자기 치유 행동의 차이를 탐구하기 위해 그림 4와 같이 자가 치유 과정 동안의 분자 상호 작용과 움직임을 포착하고 분석합니다. 도 4a로부터, 아스팔텐, 극성 방향족제 및 나프텐 방향족제와 같은 방향족 분자는 그래핀이 균열 팁의 상부 영역에 배치될 때 π-π 적층을 통해 그래핀 시트에 의해 끌리는 것을 관찰할 수 있다. 이 아스팔트 분자는 그래핀 시트에 의해 단단히 포획되어 균열 영역의 이웃으로 쉽게 확산되거나 균열을 채울 수 없으므로 어느 정도 자기 치유 과정을 방해합니다. 그러나 자기 치유 행동은 주로 균열 표면 근처의 아스팔트 분자에서 발생하며 상단 영역에서이 분자의 영향은 더 많은 탐구가 필요합니다. 도 4b로부터, 균열 표면에서의 극성 방향족 분자가 다른 균열 표면에서 그래핀 시트에 의해 유인되는 것이 관찰되며, 이는 근처의 나프텐 방향족 분자가 균열 영역 상으로 이동할 가능성을 더욱 증가시킬 수 있다. 그래핀 시트에 의해 유인된 모인 아스팔트 분자는 순수 아스팔트보다 더 빠른 속도로 크랙 영역을 포킹할 수 있고, 그래핀 개질된 아스팔트 나노복합체의 자기 치유 능력이 향상될 수 있다. 좌측 균열 표면에서 그래핀에 의해 개질된 35 Å 크랙 폭을 갖는 모델의 자가 치유 과정을 도 4c에 나타내었다. 극성 방향족 분자는 자가 치유가 시작될 때 π π 스태킹을 통해 그래핀 시트에 의해 유인되며, 이들 아스팔트 분자는 도 3f에 도시된 바와 같이 그래핀 시트 주위를 빠르게 감싸고 균열 영역의 공간을 줄일 수 있다. 이것은 그래핀이 균열 표면 주위에 위치할 때 자가 치유의 초기 단계에서 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다. 균열 폭이 15 Å 인 순수한 아스팔트의 자체 치유 스냅 샷이 그림 4d에 나와 있습니다. 포화의 사슬 구조는 분자가 서로 얽히고 균열 표면을 가교 할 수 있기 때문에 자기 치유 과정에 중요하다는 것을 분명히 관찰 할 수 있습니다. 포화 분자와 아스팔텐 분자의 측쇄 사이의 이러한 가교 효과는 패킹 효율을 상당히 증가시키고 자기 치유 기간을 감소시킬 수 있다. 또한 아스팔텐, 극성 방향족제 및 나프텐 방향족제와 같은 다방향족 고리를 가진 아스팔트 분자가 π π 스태킹에 의해 균열 표면에서 방향을 바꾸는 것으로 관찰됩니다. 이러한 재방향은 아스팔트 분자가 평행 방향으로 움직일 수있게하고 균열 습윤에 기여하여 균열 표면을 더욱 닫습니다.

Figure 4
그림 4 : 자가 치유 과정에서 순수한 아스팔트와 그래핀 변형 아스팔트 나노 복합체의 비 결합 상호 작용에 대한 세부 사항. (a) 15 Å 크랙 폭과 크랙 팁의 상부에 위치한 그래핀을 갖는 모델의 경우, 아스팔트의 방향족 분자는 π-π 스태킹을 통해 그래핀 시트에 의해 유인된다. 균열 표면의 왼쪽에 (b) 15 Å 크랙 폭과 그래핀을 갖는 모델의 경우, 다른 크랙 표면의 극성 방향족 분자는 강한 방향족 상호작용으로 인해 그래핀 표면 상으로 이동한다. 균열 표면의 왼쪽에 (c) 35 Å 크랙 폭과 그래핀을 갖는 모델의 경우, 극성 방향족 분자는 그래핀 시트에 의해 유인되어 균열 표면으로부터 돌출된다. (d) 15 Å 균열 폭과 순수한 아스팔트를 가진 모델의 경우, 균열 표면에서 방향족 분자의 재배향과 자기 치유 과정 동안 포화 분자의 사슬 브리징 및 얽힘이있다. 그림의 파란색 점선 상자와 자주색 점선 상자는 각각 π π 겹침 및 방향 재지정 동작을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

자가 치유 과정 동안 균열 표면 주위의 아스팔텐, 극성 방향족제, 및 나프텐 방향족제를 포함하는 방향족 분자의 재배향이 도 5에 도시되어 있다. 도 5a는 자가 치유 전에 추적된 분자가 나프텐 방향족제와 극성 방향족제 사이, 아스팔텐과 극성 방향족제 사이에 거의 수직이라는 것을 보여준다. 아스팔텐과 다른 두 방향족 분자 사이의 거리는 방향족 분자 사이의 거리보다 큰 13.3 Å입니다. 40ps에 대한 자가 치유 후, 나프텐 방향족 분자는 아스팔텐과 극성 방향족제 사이의 공간으로 확산되고 다른 두 분자와 상호 작용하는 데 중요한 역할을합니다. 도 5b에서, 극성 방향족 분자와 나프텐 방향족 분자 사이의 거리 및 각도는 4.6 Å 및 89°인 것을 관찰할 수 있으며, 이는 두 방향족 분자 사이의 T자형 π π 적층 상호작용을 나타낸다. 나프텐 방향족과 아스팔텐 사이의 각도와 거리는 각각 32 ° 및 4.6 Å로 감소합니다. 이것은 나프텐 방향족제와 아스팔텐 사이의 비 결합 상호 작용으로 인해 점차적으로 회전하고 배향을 조정하여 균열 표면의 습윤에 기여한다는 것을 나타냅니다. 세 분자의 배향은 도 5c에 도시된 바와 같이 50ps 후에 거의 평행하며, 이들 사이의 각도는 26°와 35°이다. 그들 사이의 거리가 4.0 Å 이하로 감소하는데, 이는 π-π 스태킹이 평행 구조를 용이하게하고 방향족 분자를 더 가깝게 만든다는 것을 나타냅니다. 전반적으로, 균열 표면에서의 재방향은 아스팔트 분자의 상호 작용을 촉진하여 분자 간 거리를 단축시키고 그 사이의 인력을 증가시킵니다. 아스팔트 분자의 재지향과 확산은 균열 영역의 채우기를 돕고 자체 치유 과정을 가속화합니다.

Figure 5
그림 5 : 자기 치유 과정 중 아스팔트 분자의 재배향. 아스팔트 분자 사이의 각도와 거리는 (a) 자가 치유 전, (b) 40ps 후, (c) 50ps. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

아스팔트 부품의 이동성
아스팔트의 자기 치유 거동에서 다른 구성 요소의 역할을 정량적으로 이해하기 위해 아스팔트 복합체의 중심 질량의 MSD는 자기 치유 과정 중 과도기적 이동성을 나타내기 위해 계산되며, 이는 다음과 같이 표현됩니다.

Equation 2

여기서 ri(t)는 시간 t에서의 입자 i의 위치 벡터이고, 각도 브래킷은 이동 거리의 평균값을 나타낸다. 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트의 MSD 값은 추적되어 그림 6에 나와 있습니다. 도 6a-c는 15 Å 폭 균열을 갖는 아스팔트 복합체의 MSD를 도시하고, 35 Å 폭 균열을 갖는 것들은 도 6d-f에 도시되어 있다. 포화는 아스팔트의 자기 치유 행동에서 가장 활동적인 성분인 반면, 아스팔텐은 가장 덜 활동적이라는 것을 관찰 할 수 있습니다. 두 가지 가능한 이유가 있습니다 : 하나는 아스팔텐이 아스팔트에서 가장 높은 분자 질량을 가지고 있기 때문에 분자 질량과 관련이 있으며 균열 영역을 이동하고 채울 능력이 적습니다. 다른 하나는 다른 구성 요소보다 이동성이 높고 균열 표면에서 얽히고 뻗어있을 가능성이 더 큰 포화 사슬과 같은 구조입니다. 극성 방향족제의 이동성은 나프텐 방향족제의 이동성보다 높습니다. 이것은 더 높은 분자 질량과 극성 방향족제의 극성 때문입니다. 황 원자와 같은 극성 방향족제의 극성 원자는 아스팔텐과 H 결합을 형성 할 수 있으며 이동성을 방해 할 수 있습니다. 균열 팁 및 좌측 균열 표면의 상부 면적에 대한 그래핀 개질 아스팔트에 대한 MSD 수치는 도 6b 및 도 6c에 도시되어 있다. 도 6b에서 그래핀의 MSD는 그래핀이 가장 큰 부피를 차지하고 아스팔트 나노복합체에서 가장 높은 분자 질량을 갖기 때문에 아스팔트 성분의 MSD보다 낮다는 것을 알 수 있다. 아스팔트 구성 요소의 MSD 값은 순수한 아스팔트의 MSD 값보다 상대적으로 낮습니다. 이것은 이러한 분자와 그래핀 사이의 상호 작용이 아스팔트 분자의 이동성을 방해하고 자기 치유 과정을 늦추기 때문입니다. 그러나, 그래핀이 좌측 균열 표면에 배치될 때, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제, 및 그래핀의 이동성은 순수한 아스팔트의 동원에 비해 현저하게 향상된다. 이것은 그래핀이 자기 치유 과정에서 중요한 역할을하고 아스팔트의 방향족 분자와의 상호 작용이 아스팔트의 자기 치유 과정에 기여한다는 것을 나타냅니다. 도 6d에서 35 Å 폭 균열의 경우, 순수한 아스팔트의 MSD는 아스팔텐, 극성 방향족제, 나프텐 방향족제 및 포화의 MSD가 증가하는 방식으로 변화함에 따라 15 Å 균열 폭을 갖는 경우와 유사한 경향을 따른다. 그래핀을 크랙 팁의 상부 영역에 삽입할 때, 포화의 MSD는 약 15Å2만큼 감소한다. 아스팔트 벌크에 그래핀 시트가 수직으로 존재하면 포화 분자의 이동 공간에 영향을 미치고 자기 치유의 경로를 방지합니다. 도 6f로부터, 아스팔텐, 극성 방향족제 및 나프텐 방향족제의 MSD 값은 모두 순수한 아스팔트에 비해 개선되는 반면, 포화의 MSD는 약간 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 그래 핀은 특히 방향족제를 함유 한 분자와 함께자가 치유 과정의 개선에 큰 책임이 있습니다. 그래핀과 아스팔텐, 극성 방향족제 및 나프텐 방향족제 간의 π π 스태킹 상호 작용은 이러한 아스팔트 분자의 이동성을 향상시키고 균열 영역에서 안정적인 포장 구조를 형성하여 아스팔트의 자체 치유 과정을 가속화합니다.

Figure 6
그림 6 : 자가 치유 과정 동안 순수한 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트 분자의 MSD. 15 Å 크랙 폭을 갖는 모델의 경우, (a) 균열 팁의 상단과 (c) 왼쪽 표면에 (a) 순수한 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트의 MSD가 제시된다. 35 Å 크랙 폭을 갖는 모델의 경우, (d) 균열 팁의 상부 및 (f) 좌측 균열 표면에 (d) 순수 아스팔트 및 그래핀 개질 아스팔트의 MSD가 제시된다. X축은 시뮬레이션 시간을 나타내고 Y축은 자가 치유 과정 중 아스팔트 성분과 그래핀 분자의 MSD 값을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

자가 치유 후 분자 위치
자가 치유 과정에서 그래핀과 아스팔트 분자 사이의 상대적 위치를 탐색하기 위해 아스팔트에서 그래핀과 방향족 분자 사이의 방사상 분포 기능을 계산하여 그림 7에 나타내었다. 도 7a-c는 자가 치유 과정 전후의 15 Å 크랙 폭을 갖는 모델의 RDF를 도시한다. 아스팔트 내의 방향족 분자가 자기 치유 과정을 거쳐 그래핀 시트에 더 가깝게 이동한다는 것을 알 수 있으며, 특히 극성 방향족 분자와 나프텐 방향족 분자가 있다. 그림 4에 표시된 바와 같이, 그래핀과 아스팔텐, 극성 방향족제 및 나프텐 방향족제와 같은 방향족 분자 사이에 강한 π-π 적층 상호작용이 존재하며, 이로 인해 그래핀 시트가 이들 분자를 균열 표면쪽으로 끌어들이게 된다. 그러나 자가 치유 전후의 아스팔텐의 g(r) 값의 차이는 극성 방향족제와 나프텐 방향족제만큼 중요하지 않다. 이것은 아스팔텐 분자가 극성 방향족 및 나프텐 방향족 분자보다 더 높은 분자 질량과 부피를 얻음으로써 그래핀 영역으로 회전 및 확산되어 균열 영역을 채우는 것을 어렵게 만들기 때문입니다. 4.0 Å 내의 그래핀과 극성 방향족 또는 나프텐 방향족 분자 사이의 증가된 g(r) 값은 π-π 스태킹을 위한 전형적인 상호작용 거리 내에 있고, 4.0 Å를 초과하는 증가된 g(r) 값은 분자 상호작용의 조합과 균열 구역의 제거에 기인한다. 자가 치유 과정 전후의 35 Å 균열 폭을 갖는 모델의 RDF가 도 7d-f에 도시되어 있다. 자가 치유 과정을 통해 그래핀과 아스팔텐 사이의 g(r) 값이 4.0 Å를 넘어서는 것은 15 Å 균열 폭의 값보다 더 명백합니다. 이것은 아스팔텐이 더 큰 균열 영역에서 그래핀을 향해 확산되고 움직일 수있는 더 많은 공간을 가지고 있기 때문입니다. 4.0 Å 내의 g(r) 값은 극성 방향족제에 대한 값보다 나프텐 방향족제에 대해 더 중요합니다. 이것은 더 작은 분자 질량과 나프텐 방향족 분자의 더 나은 확산 능력 때문입니다.

Figure 7
그림 7: 왼쪽 균열 표면의 그래핀과 아스팔트 성분 사이의 RDF 값. 왼쪽 균열 표면의 그래핀과 (a) 아스팔텐, (b) 극성 방향족제, (c) 15 Å 균열 폭을 가진 모델로부터의 나프텐 방향족제, (d) 아스팔텐, (e) 극성 방향족제, 및 (f) 35 Å 크랙 폭을 갖는 모델로부터의 나프텐 방향족제의 아스팔트 성분 사이의 RDF 값. X축은 두 분자의 거리를 나타내고 Y축은 RDF 값을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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(58)에 의해 접근하기 어려운 나노 구조 진화, 분자 상호 작용 및 움직임을 포착함으로써 원자 적 수준에서 아스팔트 및 그래핀 변형 아스팔트의 자기 치유 메커니즘을 나타낼 수 있다는 것입니다. 자가 치유 메커니즘은 연구자와 엔지니어가 적절한 장소에 나노 물질을 적용하고 효율적인 방법으로 아스팔트를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 향후 적용은 분자 구조를 적절한 방식으로 모니터링 할 수 있고 결함, 접힌 구조 및 작용기와 같은 나노 물질의 다른 변수의 효과를 조사하는 데 도움이된다는 것입니다. 이 기술은 또한 다규모 측면에서 아스팔트 나노 복합체의 자기 치유 행동을 관찰하기 위해 다른 접근법과 결합 될 수 있습니다. 아스팔트의 자체 치유 특성은 철저히 이해되고 미래에 크게 향상 될 수 있습니다.

그래 핀은 자기 치유 과정에서 인터페이스 및 구성 요소의 변화와 이동에 중요합니다. 그래핀 시트를 삽입하지 않고, 포화도는 포화의 사슬 구조가 서로 얽히고 균열 표면을 가교 할 수 있기 때문에 자기 치유 과정에서 중요한 역할을합니다. 포화 분자와 아스팔텐 분자의 측쇄 사이의 가교 효과는 포장 밀도를 강하게 증가시키고 자기 치유 과정의 시간을 줄일 수 있습니다. 게다가, 아스팔텐, 극성 방향족 및 나프텐 방향족과 같은 다방향족 고리를 가진 아스팔트 분자는 π π 스태킹에 의해 균열 표면에서 방향을 재조정하여 아스팔트 분자가 평행 방향으로 움직이고 균열 습윤에 기여하고 균열 표면을 닫습니다. 그래핀의 삽입으로, 균열 표면의 한쪽에 있는 극성 방향족 분자는 균열 표면의 다른 쪽에 있는 그래핀 시트에 의해 유인되며, 이는 근처의 나프텐 방향족 분자가 균열 영역으로 이동할 가능성을 더욱 증가시킬 수 있다. 그래핀 시트에 의해 유인된 모인 아스팔트 분자는 순수한 아스팔트에서보다 더 빠른 속도로 균열 영역을 채울 수 있으며, 그래핀 개질된 아스팔트 나노복합체에서 자기 치유 능력이 현저히 향상된다. 아스팔텐 분자는 아스팔트 매트릭스에서 더 높은 분자 질량과 부피를 가지므로 그래핀 부분으로 확산되어 균열 영역을 채우기가 어렵습니다. 나프텐 방향족제는 극성 방향족제보다 더 빠른 이동을 가지며, 이는 더 작은 분자 질량과 나프텐 방향족 분자(39)의 더 나은 확산 능력 때문이다.

본 연구에서, 순수 아스팔트 및 그래핀 개질된 아스팔트 나노복합체의 자가 치유 특성은 MD 시뮬레이션을 사용하여 상이한 균열 폭과 그래핀 위치를 고려하여 조사된다. 자가 치유 행동은 균열 팁 영역에서 시작되며 날카로운 팁이 둔하고 흐릿 해지는 것으로 관찰됩니다. 균열 경계의 아스팔트 분자는 균열의 폭을 줄이고 틈새를 계속 채우기 위해 확산 될 수 있습니다. 완전한 자체 치유 과정은 균열 영역의 원자 밀도가 아스팔트 벌크의 원자 밀도와 같을 때 확인됩니다. MD 시뮬레이션은 자가 치유 과정 동안 아스팔트 매트릭스에서 분자 상호 작용 및 사슬 이동을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 아스팔트 분자의 얽힘과 방향 재조정은 자기 치유 행동에 중요한 역할을합니다. 그래핀 시트의 혼입을 통한 자가 치유 속도는 그 위치에 의해 결정된다. 균열 팁 영역에 위치한 그래핀 시트의 경우 아스팔트 분자의 이동이 방해 받고 균열 영역으로 쉽게 확산 될 수 없습니다. 균열 구역의 측면에 있는 그래핀 시트의 경우, 아스팔트 분자는 π-π 적층 상호작용으로 인해 그래핀 시트에 의해 유인되고 크랙 구역에서 쉽게 모이게 되며, 이는 증가된 자기 치유율을 나타낸다. 시뮬레이션 결과는 나노 물질에 의한 아스팔트의 변형이 열역학적 및 자기 치유 특성을 향상시킬 수 있음을 보여 주며, 이는 스마트 아스팔트 포장 도로의 개발에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. MD 시뮬레이션을 기반으로 한 아스팔트 나노 복합체의 자기 치유 메커니즘에 대한 근본적인 이해는 최적의 위치에서 나노 물질의 효율적인 조작을 촉진 할 수 있으며, 이는 원하는 특성과 기능을 가진 아스팔트 나노 복합 재료의 고급 설계에 도움이됩니다.

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Disclosures

저자는 선언 할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio BIOVIA Materials Studio 8.0 The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package Sandia National Laboratories lammps-stable20 The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.
OVITO Materials Science Department of Technische Universität Darmstadt, Germany ovito-basic-3.1.0-win64 The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.
Origin OriginLab Origin 2018 64Bit The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.

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References

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공학 문제 183 아스팔트 그래핀 분자 역학 시뮬레이션 자가 치유
그래핀 구조에 의해 강화 된 고급 자기 치유 아스팔트 : 원자 론적 통찰력
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Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced… More

Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight. J. Vis. Exp. (183), e63303, doi:10.3791/63303 (2022).

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