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Engineering

उन्नत स्व हीलिंग डामर Graphene संरचनाओं द्वारा प्रबलित: एक Atomistic अंतर्दृष्टि

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

Graphene-संशोधित डामर nanocomposite शुद्ध डामर की तुलना में एक उन्नत आत्म-उपचार क्षमता दिखाया गया है। इस प्रोटोकॉल में, आणविक गतिशीलता सिमुलेशन को आत्म-उपचार प्रक्रिया में ग्राफीन की भूमिका को समझने और परमाणुवादी स्तर से डामर घटकों के आत्म-उपचार तंत्र का पता लगाने के लिए लागू किया गया है।

Abstract

Graphene उच्च स्थायित्व के साथ डामर के आत्म-उपचार गुणों में सुधार कर सकते हैं। हालांकि, graphene-संशोधित डामर nanocomposite के आत्म-उपचार व्यवहार और शामिल graphene की भूमिका अभी भी इस स्तर पर अस्पष्ट हैं। इस अध्ययन में, शुद्ध डामर और ग्राफीन-संशोधित डामर के आत्म-उपचार गुणों की जांच आणविक गतिशीलता सिमुलेशन के माध्यम से की जाती है। Graphene के लिए दो दरार चौड़ाई और स्थानों के साथ डामर bulks पेश कर रहे हैं, और डामर घटकों और graphene शीट के बीच आणविक बातचीत का विश्लेषण कर रहे हैं. परिणामों से पता चलता है कि graphene का स्थान डामर के आत्म-उपचार व्यवहार को काफी प्रभावित करता है। दरार की सतह के पास ग्राफीन π-π स्टैकिंग के माध्यम से सुगंधित अणुओं के साथ बातचीत करके आत्म-उपचार प्रक्रिया में तेजी ला सकता है, जबकि दरार टिप के शीर्ष क्षेत्र में ग्राफीन का प्रक्रिया पर मामूली प्रभाव पड़ता है। डामर की आत्म-उपचार प्रक्रिया डामर, ध्रुवीय सुगंधित, और नेफ्थीन सुगंधित अणुओं के पुनरुत्थान और दरार सतहों के बीच संतृप्त अणुओं के ब्रिजिंग के माध्यम से जाती है। स्व-उपचार तंत्र की यह गहराई से समझ आत्म-उपचार गुणों के लिए वृद्धि के ज्ञान में योगदान देती है, जो टिकाऊ डामर फुटपाथों को विकसित करने में मदद करेगी।

Introduction

दैनिक वाहन लोडिंग और वेरिएंट पर्यावरणीय परिस्थितियों के तहत गिरावट, और सेवा के दौरान डामर की उम्र बढ़ने के परिणामस्वरूप गिरावट या यहां तक कि संरचनात्मक विफलताएं होती हैं, यानी, क्रैकिंग और रेवेलिंग, जो डामर फुटपाथों के स्थायित्व को और कमजोर कर सकती है। सूक्ष्म दरारें और voids की मरम्मत के लिए डामर की अंतर्निहित प्रतिक्रिया स्वचालित रूप से इसे नुकसान से उबरने और ताकत1 को बहाल करने में मदद करती है। यह आत्म-उपचार क्षमता डामर के सेवा जीवन का काफी विस्तार कर सकती है, रखरखाव पर लागत बचा सकती है, और ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन कोकम कर सकती है 2,3। डामर का आत्म-उपचार व्यवहार आमतौर पर इसकी रासायनिक संरचना, क्षति की डिग्री और पर्यावरणीय स्थितियों सहित कई प्रभावित करने वाले कारकों पर निर्भर करताहै। डामर की बेहतर आत्म-उपचार क्षमता जो एक छोटी अवधि के भीतर क्षति को पूरी तरह से ठीक कर सकती है, वांछित है; यह सिविल इंजीनियरिंग के भीतर डामर फुटपाथों के लिए बेहतर यांत्रिक प्रदर्शन और स्थायित्व में व्यापक अनुसंधान रुचि को आकर्षित किया है।

डामर की आत्म-उपचार क्षमता में सुधार करने के लिए उपन्यास विधियों में मुख्य रूप से तीन दृष्टिकोण शामिल हैं - हीटिंग, एनकैप्सुलेशन हीलिंग को प्रेरित करना, और नैनोमैटेरियल्स को शामिल करना - जिसे व्यक्तिगत रूप से या एक साथ लागू किया जा सकता है5,6. उत्प्रेरण हीटिंग डामर की गतिशीलता में काफी सुधार कर सकता है और वसूली के लिए अपने आत्म-उपचार को सक्रिय कर सकता है7. हीटिंग को प्रेरित करके डामर की आत्म-उपचार तकनीक को सहायता प्राप्त आत्म-उपचार तकनीक के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जो इंगित करता है कि डामर के आत्म-उपचार गुणों में बाहरी उत्तेजनाओं द्वारा सुधार किया जाता है। स्टील ऊन फाइबर को जोड़ने का उद्देश्य विद्युत चालकता को बढ़ाना है ताकि डामर बाइंडर की उपचार क्षमता में वृद्धि हो सके8. गर्मी को प्रेरित करने का दृष्टिकोण इन विद्युत प्रवाहकीय तंतुओं को उच्च आवृत्ति वाले वैकल्पिक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में उजागर करना है, जो भंवर धाराओं को प्रेरित कर सकता है, और गर्मी ऊर्जा प्रवाहकीय फाइबर द्वारा डामर बाइंडर में फैल सकती है9. स्टील ऊन फाइबर न केवल विद्युत चालकता को बढ़ाते हैं, बल्कि थर्मल चालकता को भी बढ़ाते हैं, जिनमें से दोनों डामर के आत्म-उपचार गुणों को सकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकते हैं। हालांकि, फाइबर के लिए उचित मिश्रण समय का चयन करना चुनौतीपूर्ण है10. फाइबर की लंबाई बढ़े हुए मिश्रण समय के साथ कम हो जाती है और थर्मल चालकता को प्रभावित करती है, जबकि कम मिश्रण समय फाइबर के समूहों की ओर जाता है और डामर के यांत्रिक गुणों को बाधित करता है9. encapsulation विधि इस तरह के aromatics और संतृप्त के रूप में वृद्ध डामर के प्रकाश घटकों की आपूर्ति कर सकते हैं और डामर की आत्म-चिकित्सा क्षमता को ताज़ा11,12. हालांकि, यह एक बार-केवल एक उपचार है, और रिहाई के बाद उपचार सामग्री को फिर से नहीं भरा जा सकता है। नैनो टेक्नोलॉजी के विकास के साथ, नैनोमैटेरियल्स डामर-आधारित सामग्रियों को बढ़ाने के लिए आशाजनक संशोधक बन गए हैं। नैनोमटेरियल्स के साथ शामिल डामर बाइंडर बेहतर थर्मल चालकता और यांत्रिक गुणों को प्रस्तुत करते हैं13. उत्कृष्ट यांत्रिक प्रदर्शन और उच्च थर्मल प्रदर्शन के साथ Graphene डामर की आत्म-उपचार क्षमता में सुधार करने के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार के रूप में माना जाता है14,15,16,17. Graphene-संशोधित डामर के बढ़े हुए उपचार गुणों को इस तथ्य के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है कि graphene डामर बाइंडर की क्षमता को गर्म करने और डामर बाइंडर के अंदर गर्मी हस्तांतरण का उत्पादन करने की क्षमता बढ़ाता है, जिसका अर्थ है कि graphene-संशोधित डामर को अधिक तेज़ी से गर्म किया जा सकता है और शुद्ध डामर की तुलना में उच्च तापमान तक पहुंच सकता है18. उत्पन्न गर्मी को शुद्ध डामर के माध्यम से तेज गति से ग्राफीन-संशोधित डामर में स्थानांतरित किया जा सकता है। डामर बाइंडर के दरार क्षेत्र को आसानी से प्रभावित किया जा सकता है और उच्च तापमान और उच्च हीटिंग क्षमता के साथ गर्मी के प्रवाह से तेजी से चंगा किया जा सकता है। स्व-उपचार प्रतिक्रिया शुरू हो जाएगी यदि ऊर्जा जो उपचार सक्रियण ऊर्जा के बराबर या उससे बड़ी है, डामर की दरार की सतह पर मौजूद है19. Graphene थर्मल सक्रियण चिकित्सा प्रदर्शन में सुधार और डामर की चिकित्सा दर में तेजी लाने के लिए कर सकते हैं19,20. इसके अलावा, graphene उपचार प्रक्रिया के दौरान 50% तक हीटिंग ऊर्जा बचा सकता है, जो ऊर्जा दक्षता को लाभ पहुंचा सकता है और रखरखाव की लागत को कम कर सकता है21. माइक्रोवेव-अवशोषक सामग्री के रूप में, ग्राफीन को माइक्रोवेव हीटिंग की बाकी अवधि के दौरान डामर की उपचार क्षमता में सुधार करने की सूचना दी जाती है22. यह उम्मीद की जाती है कि डामर में ग्राफीन के अलावा न केवल यांत्रिक प्रदर्शन में सुधार होगा, बल्कि आत्म-उपचार और ऊर्जा-बचत क्षमता में भी सुधार होगा, जिसके लिए आत्म-उपचार तंत्र के गहन ज्ञान की आवश्यकता होती है।

नैनोस्केल पर आत्म-उपचार मुख्य रूप से फ्रैक्चर चेहरों पर डामर अणुओं के गीलेपन और प्रसार के कारण होताहै 23। जैसा कि डामर में विभिन्न ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय अणु होते हैं, इसकी आत्म-उपचार क्षमताविभिन्न घटकों के डामर अणुओं के आणविक इंटरैक्शन और आंदोलनों से दृढ़ता से संबंधित है। हालांकि, वर्तमान शोध मुख्य रूप से मैक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुणों को मापने के लिए प्रयोगात्मक तकनीकों पर निर्भर करता है, जो उपचार तंत्र को समझने की कोशिश करते समय माइक्रोस्ट्रक्चर के परिवर्तन और डामर अणुओं के बीच बातचीत में लापता जानकारी का कारण बनता है। डामर की आत्म-उपचार क्षमता में ग्राफीन का मजबूत तंत्र भी इस स्तर पर अस्पष्ट है। आणविक गतिशीलता (एमडी) सिमुलेशन आणविक इंटरैक्शन और नैनोकम्पोजिट सिस्टम की गति की जांच करने में एक प्रभावशाली भूमिका निभाते हैं, और आणविक इंटरैक्शन और आंदोलनों के साथ माइक्रोस्ट्रक्चरल विरूपण को जोड़ते हैं 24,25,26,27,28,29,30,31 . एमडी सिमुलेशन सामग्री व्यवहारों का विश्लेषण करने के लिए अधिक से अधिक लोकप्रिय हो गए हैं जिन्हेंप्रयोगों द्वारा आसानी से एक्सेस नहीं किया जा सकता है 32,33। मौजूदा अध्ययनों ने डामर प्रणालियों में एमडी सिमुलेशन की व्यवहार्यता और उपलब्धता को दिखाया है; सामंजस्य, आसंजन, उम्र बढ़ने, और डामर और डामर कंपोजिट के thermomechanical गुणों एमडी सिमुलेशन 34,35,36,37 द्वारा पता लगाया जा सकता है. डामर के स्व-उपचार व्यवहार ों को एमडी सिमुलेशन 38,39,40 द्वारा भी भविष्यवाणी की जा सकती है। इसलिए, यह माना जाता है कि एमडी सिमुलेशन का उपयोग करके जांच आत्म-उपचार और मजबूत तंत्र दोनों को समझने का एक प्रभावी तरीका है।

इस अध्ययन के उद्देश्यों को शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर nanocomposites के आत्म-चिकित्सा व्यवहार की जांच करने के लिए और एमडी सिमुलेशन के माध्यम से डामर की चिकित्सा क्षमता में सुधार में graphene की भूमिका को समझने के लिए कर रहे हैं। शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर कंपोजिट के स्व-उपचार सिमुलेशन प्रारंभिक संरचनाओं में दरारें पेश करके किए जाते हैं। आत्म-उपचार क्षमताओं को परमाणु संख्याओं के समोच्च, खंडित चेहरे पर अणुओं के पुनर्विन्यास और उलझन, और आत्म-उपचार प्रक्रियाओं के दौरान डामर घटकों की गतिशीलता की विशेषता है। विभिन्न साइटों पर graphene की चिकित्सा दक्षता की जांच करके, डामर की आत्म-चिकित्सा क्षमताओं में योगदान करने वाले graphene के मजबूत तंत्र का अनावरण किया जाता है, जो एक इष्टतम तरीके से नैनोफिलर की निगरानी में मदद कर सकता है और इस प्रकार डामर फुटपाथों के जीवन विस्तार को सक्षम कर सकता है। परमाणुवादी पैमाने पर आत्म-उपचार क्षमता की जांच भविष्य के अनुसंधान के लिए उन्नत डामर-आधारित सामग्री विकसित करने का एक कुशल तरीका प्रदान कर सकती है।

डामर रसायन विज्ञान के अनुसार, डामर में विभिन्न प्रकार के हाइड्रोकार्बन और गैर-हाइड्रोकार्बन होते हैं, जिनमें विभिन्न ध्रुवीयता और आकार होते हैं, जिन्हें मुख्य रूप से डामर के चार घटकों, ध्रुवीय एरोमैटिक्स, नेफ्थेन एरोमैटिक्स औरसंतृप्त 41,42 में विभाजित किया जा सकता है। डामर के अन्य अणुओं की तुलना में एस्फाल्ट के अणु अपेक्षाकृत बड़े और भारी होते हैं, जिसमें लगभग 750 ग्राम / मोल का औसत परमाणु द्रव्यमान होता है और 10-20 Å की सीमा में एक आणविक व्यास होता है। यह व्यापक रूप से स्वीकार किया गया है कि एस्फाल्टीन बड़े सुगंधित कोर से बना है जिसमें हेटेरोएटम होते हैं और अल्काइल समूहों की विभिन्न लंबाई से घिरे होते हैं43। एक संशोधित एस्फाल्टीन अणु का निर्माण किया जाता है, जैसा कि चित्र 1 ए में दिखाया गया है। ध्रुवीय एरोमैटिक्स और नेफ्थेन एरोमैटिक्स के अणुओं का निर्माण ध्रुवीयता और डामर अणुओं के तत्व अनुपात के आधार पर किया जाता है, जिसमें बेंजोबिसबेंजोथियोफेन (सी18एच10एस2) ध्रुवीय सुगंधित अणु का प्रतिनिधित्व करते हैं और 1,7-डाइमिथाइलनेफ्थलीन (सी12एच12) को प्रतिनिधि नेफ्थीन सुगंधित अणु के रूप में चुना जाता है, जैसा कि चित्र 1 बी-सी में दिखाया गया है। N-docosane (n-C 22H46) का निर्माण किया गया है जैसा कि चित्र 1d में दिखाया गया है। डामर अणुओं के लिए तालिका 1 में सूचीबद्ध मापदंडों का चयन किया जाता है और प्रयोगों से वास्तविक डामर के मौलिक द्रव्यमान अंश, परमाणु अनुपात और सुगंधित / एलिफेटिक अनुपात सहित वांछित मानदंडों को पूरा करने के लिए उपयोग किया जाताहै। हमारे पिछले अध्ययनों में एक ही द्रव्यमान अनुपात को परिभाषित किया गया है, और घनत्व, कांच संक्रमण तापमान और चिपचिपाहट जैसे अन्य थर्मोमैकेनिकल गुण वास्तविक डामर36 के प्रयोगात्मक डेटा के साथ अच्छे समझौते में हैं। इस अध्ययन में लागू graphene की आणविक संरचना चित्र 1e में दिखाया गया है। इस अध्ययन में अपनाई गई ग्राफीन शीट में कोई दोष नहीं है और वास्तविक मामले की तुलना में कोई गुना नहीं है, जबकि वास्तविक ग्राफीन शीट में आमतौर पर परमाणु रिक्तियों और स्टोन-वेल्स दोष44 जैसे कई दोष होते हैं, और कुछ ग्राफीन शीट को डामर मैट्रिक्स45 में मिश्रण प्रक्रिया के दौरान मोड़ा जा सकता है। इन अपूर्ण स्थितियों को इस अध्ययन में नहीं माना जाता है, क्योंकि हम आत्म-चिकित्सा गुणों पर ग्राफीन शीट की साइट के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित करते हैं और इसे एकमात्र चर के रूप में चुनते हैं। दोषों और मुड़े हुए मामलों के संदर्भ में ग्राफीन शीट के चर हमारे भविष्य के अध्ययनों का ध्यान केंद्रित करेंगे। इस अध्ययन में डामर के लिए graphene का द्रव्यमान अनुपात 4.75% है, जो प्रयोग46,47 में graphene संशोधित डामर के लिए सामान्य स्थिति (<5%) है।

Figure 1
चित्र 1: रासायनिक संरचना। (ए) डामर के अणु (सी53 एच 55एनओएस), (बी) नेफ्थेन सुगंधित अणु (सी12 एच 12), (सी) ध्रुवीय सुगंधित अणु (सी18एच10एस2), (डी) संतृप्त अणु (सी22एच46), (ई) ग्राफीन, और (एफ) शुद्ध डामर के परमाणुवादी मॉडल। परमाणुवादी डामर मॉडल के लिए, कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर और हाइड्रोजन परमाणुओं को क्रमशः ग्रे, लाल, नीले, पीले और सफेद रंग में दिखाया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

डामर मॉडल द्रव्यमान (g/mol) रासायनिक सूत्र अणुओं की संख्या कुल द्रव्यमान (g/mol) द्रव्यमान अंश (%)
एस्फाल्टीन 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
नेफ्थीन सुगंधित 156.22 C12H12 65 10154.3 8
ध्रुवीय सुगंधित 290.38 C18H10S2 74 21485.16 17
तर 310.59 C22H46 205 63670.95 49
डामर बाइंडर 387 127734.13 100
Graphene 6369.28 C525H63 1 6369.28

तालिका 1: शुद्ध डामर मॉडल और graphene संशोधित डामर मॉडल के समग्र घटकों.

नीचे वर्णित प्रोटोकॉल के संबंध में, विभिन्न आकारों के साथ दो प्रकार के कील जैसी दरारें डामर मॉडल के बीच में एक कुंद दरार टिप और दो समानांतर दरार सतहों के साथ डाली जाती हैं, जबकि डामर थोक का मध्य-शीर्ष क्षेत्र बरकरार रहता है। दो दरार चौड़ाई को 15 Å और 35 Å के रूप में चुना गया है, जैसा कि चित्र 2a-b में दिखाया गया है। 15 Å का चयन करने का कारण यह है कि दरार चौड़ाई 12 Å की कटऑफ से अधिक चौड़ी होनी चाहिए ताकि संतुलन प्रक्रिया के दौरान डामर अणुओं के शुरुआती आत्म-उपचार से बचा जा सके, जबकि एक छोटी सी दरार के लिए एक चरम मामले की जांच की जा सके। 35 Å का चयन करने का कारण यह है कि दरार की चौड़ाई ब्रिजिंग प्रभाव को रोकने के लिए 34 Å के संतृप्त अणुओं की लंबाई से अधिक चौड़ी होनी चाहिए। दरार की ऊंचाई 35 Å है, जो बॉक्स चौड़ाई के समान है, और दरार की गहराई 70 Å है, जो बॉक्स की लंबाई के समान है। वास्तविक स्थिति में, मनाया माइक्रो-क्रैक आकार कई माइक्रोमीटर से लेकर कई मिलीमीटर तक की सीमा में भिन्न हो सकता है, जो कि लंबाई के पैमाने से कहीं बड़ा है जिसे हम यहां मॉडलिंग कर रहे हैं। आम तौर पर, एमडी सिमुलेशन में लंबाई का पैमाना 100 एनएम के पैमाने तक सीमित होता है, जो अभी भी वास्तविक दरार आकार से छोटे परिमाण के कई आदेश हैं। हालांकि, दरारें नैनोस्केल पर शुरू होती हैं और निरंतर विरूपण48 के साथ मैक्रोस्केल दरारों में बढ़ती हैं। नैनोस्केल पर स्व-उपचार तंत्र की समझ मैक्रोस्केल पर दरार के विकास और आगे के प्रसार को रोकने में मदद कर सकती है। भले ही चयनित दरार आकार नैनोमीटर की सीमा में हैं, परिणाम अभी भी प्रभावशाली हो सकते हैं और डामर अणुओं के आत्म-उपचार व्यवहार का पता लगाने के लिए लागू हो सकते हैं। दरार क्षेत्रों में ग्राफीन शीट के लिए दो स्थान हैं: एक दरार टिप के शीर्ष पर है और दूसरा बाईं दरार सतह पर लंबवत है। यह पाया गया है कि ये ग्राफीन में graphene के लिए सबसे आम पदों रहे हैं संशोधित nanocomposites दरारें49 के साथ.

Figure 2
चित्रा 2: शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर के लिए स्व-चिकित्सा योजनाएं। (ए) 15 Å और (b) 35 Å की दरार चौड़ाई के साथ शुद्ध डामर का स्व-उपचार मॉडल। Graphene शीट के साथ graphene-संशोधित डामर के स्व-उपचार मॉडल (सी) दरार टिप के शीर्ष पर और (डी) दरार सतह के लंबवत स्थित है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

एमडी सिमुलेशन में, डामर nanocomposites में intramolecular और intermolecular इंटरैक्शन सुसंगत वैलेंस फोर्सफील्ड (CVFF) 50, जो डामर और graphene आधारित सामग्री के साथ अच्छी तरह से काम करता है द्वारा वर्णित कर रहे हैं। CVFF के कार्यात्मक रूप को निम्नलिखित व्यंजक के रूप में व्यक्त किया गया है:

Equation 1 1

यहां, कुल ऊर्जा ईकुल बंधुआ ऊर्जा शब्दों और गैर-बंधुआ ऊर्जा शब्दों से बना है। बंधुआ इंटरैक्शन में सहसंयोजक बंधन खिंचाव, बंधन कोण झुकने वाली ऊर्जा, मरोड़ कोण रोटेशन, और अनुचित ऊर्जा शामिल होती है जैसा कि पहले चार शब्दों में व्यक्त किया गया है। गैर-बंधुआ ऊर्जा में वैन डेर वाल्स (वीडीडब्ल्यू) शब्द के लिए एक एलजे -12-6 फ़ंक्शन और इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन के लिए एक कूलम्बिक फ़ंक्शन शामिल है। सीवीएफएफ को व्यापक रूप से डामर सामग्री51,52 का अनुकरण करने में नियोजित किया गया है। घनत्व, चिपचिपाहट और थोक मापांक जैसे नकली भौतिक और यांत्रिक गुण प्रयोगात्मक डेटा के साथ अच्छे समझौते में हैं, जो सीवीएफएफ51 की विश्वसनीयता को दर्शाता है। CVFF न केवल अकार्बनिक पदार्थों के लिए उपयुक्त है, बल्कि इसे कार्बनिक और अकार्बनिक चरणों जैसे डामर-सिलिका52 और एपॉक्सी-ग्राफीन53 की प्रणाली वाली संरचनाओं में भी सफलतापूर्वक नियोजित किया गया है। इसके अलावा, graphene और डामर के बीच इंटरफेसियल इंटरैक्शन CVFF36,54 की विशेषता हो सकती है। चूंकि फोर्सफील्ड का चयन करने में प्रमुख हिस्सा डामर-ग्राफीन इंटरफ़ेस को निर्धारित करना है, इसलिए सीवीएफएफ द्वारा वर्णित गैर-बंधुआ इंटरैक्शन अधिक विश्वसनीय हैं, जिसे हमारे पिछले अध्ययन36 में भी माना जाता है। कुल मिलाकर, इस अध्ययन में फोर्सफील्ड सीवीएफएफ को अपनाया गया है। विभिन्न प्रकार के परमाणुओं के लिए आंशिक आवेशों की गणना फोर्सफील्ड-असाइन की गई विधि द्वारा की जाती है।

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Protocol

1. परमाणुवादी मॉडल का निर्माण

  1. पांच 3 डी परमाणुवादी दस्तावेज बनाने के लिए सामग्री स्टूडियो सॉफ्टवेयर खोलें और क्रमशः graphene, asphaltene, ध्रुवीय aromatics, naphthene aromatics, और संतृप्त के रूप में इन दस्तावेजों का नाम बदलें।
  2. स्केच एटम विकल्प का उपयोग करके 3 डी परमाणुवादी दस्तावेज़ में ग्राफीन शीट की इकाई सेल बनाकर ग्राफीन मॉडल का निर्माण करें।
  3. बिल्ड > समरूपता मेनू में Supercell विकल्प का उपयोग करके अंतिम संरचना बनाएँ। Graphene शीट के आकार को 40 Å x 40 Å के रूप में परिभाषित करें, जो डामर श्रृंखलाओं और दरार चौड़ाई से बड़ा है।
  4. डामर अणुओं के चार प्रकार का निर्माण और पैक करें।
    1. एस्फाल्टीन, ध्रुवीय एरोमैटिक्स, नेफ्थेन एरोमैटिक्स और अलग-अलग संतृप्त की आणविक संरचनाओं को आकर्षित करने के लिए स्केच एटम विकल्प का उपयोग करें।
    2. मॉड्यूल > अनाकार सेल मेनू में गणना विकल्प का उपयोग कर सिमुलेशन बॉक्स में डामर अणुओं के चार प्रकार पैक करें।
  5. दरार के साथ डामर संरचना का निर्माण करें।
    1. x आयाम में क्रैक ज़ोन की ऊंचाई 70 Å के बॉक्स की ऊंचाई के समान सेट करें और y आयाम में क्रैक ज़ोन की गहराई 35 Å के रूप में बॉक्स की ऊंचाई का आधा है।
    2. 15 Å और 35 Å के z आयाम में दरार चौड़ाई के दो मामलों को सेट करें। हटाएँ विकल्प का उपयोग कर डामर थोक के मध्य-नीचे क्षेत्र के दरार क्षेत्रों में अनावश्यक अणुओं को हटाएँ और मध्य-अप क्षेत्र में डामर मैट्रिक्स अपरिवर्तित रखें।
  6. दरार के साथ graphene-संशोधित डामर संरचना का निर्माण. ग्राफीन शीट को क्रैक टिप के शीर्ष क्षेत्र में शामिल करें और कॉपी + पेस्ट कमांड का उपयोग करके पैकिंग चरण से पहले बाएं क्रैक सतह को अलग से शामिल करें।
  7. Graphene-संशोधित डामर संरचना का निर्माण करने के लिए तालिका 1 में सूचीबद्ध अंतिम रचनाओं के आधार पर सिमुलेशन बॉक्स में डामर अणुओं पैक करें।
  8. संरचना फ़ाइल को किसी डेटा फ़ाइल में कनवर्ट करें. सामग्री स्टूडियो से संरचना जानकारी (*.car और * .mdf) के साथ अणु फ़ाइलों के रूप में संरचना फ़ाइलों को सहेजें। बड़े पैमाने पर परमाणु / आणविक बड़े पैमाने पर समानांतर सिम्युलेटर (LAMMPS) 55 पैकेज में msi2lmp उपकरण का उपयोग कर डेटा फ़ाइलों के लिए अणु फ़ाइलों (*.car और * .mdf) कनवर्ट करें। LAMMPS में read_data आदेश द्वारा डेटा फ़ाइल पढ़ें।

2. सिमुलेशन प्रदर्शन

  1. सिमुलेशन के पैरामीटर को परिभाषित करें।
    1. टाइमस्टेप को इनपुट फ़ाइल में 1 एफएस के रूप में सेट करें, जो किए गए सिमुलेशन की सटीकता और दक्षता के संतुलन पर विचार करता है।
    2. गैर-बंधुआ इंटरैक्शन की कटऑफ दूरी को 12 Å के रूप में सेट करें, जो आवधिक सीमा स्थिति और गणनात्मक दक्षता को ध्यान में रखते हुए सिमुलेशन बॉक्स की लंबाई के आधे से भी कम है।
    3. कण-कण कण-जाल (PPPM) एल्गोरिथ्म को लंबी दूरी की कूलम्बिक इंटरैक्शन का वर्णन करने के लिए नियोजित करें और उच्च सटीकता के लिए 10-5 के रूप में लंबी दूरी के सॉल्वर द्वारा गणना किए गए प्रति-परमाणु बलों में सापेक्ष त्रुटि सेट करें।
  2. दरार की प्रोफ़ाइल को ठीक करें। LAMMPS में समूह अणु आदेश द्वारा प्रोफ़ाइल पर डामर अणुओं का चयन करें। डामर अणुओं के आंदोलनों से बचने के लिए लैमएमपीएस में फिक्स स्प्रिंग / सेल्फ कमांड का उपयोग करके डामर अणुओं पर बाधाओं को लागू करें।
  3. संतुलन प्राप्त करें
    1. पूरे सिमुलेशन बॉक्स को 300 K के तापमान और 1 atm के दबाव के साथ समतापी-आइसोबेरिक (NPT) पहनावा के तहत 500 ps के बाद पूरी तरह से आराम से रखें।
    2. थर्मल कमांड का उपयोग करके तापमान, दबाव, घनत्व और ऊर्जा मूल्यों की लगातार जांच करके 0.95-1.05 ग्राम / सेमी3 के प्रयोगात्मक माप41 के वांछित घनत्व मूल्य के लिए डामर बल्क को संतुलित करें।
    3. पूरी तरह से आराम की स्थिति को प्राप्त करने के लिए पूरे सिस्टम में संभावित ऊर्जा और माध्य-वर्ग विस्थापन (एमएसडी) के अभिसरण की जांच करें।
  4. आत्म-उपचार प्रक्रिया करें।
    1. 300 K के तापमान और 1 एटीएम के दबाव के साथ NPT ensemble के तहत पूरे सिमुलेशन बॉक्स सेट करें।
    2. दरार क्षेत्र के समोच्च पर डामर अणुओं की बाधा को हटा दें।
    3. ट्रैक और सिमुलेशन बॉक्स और परमाणुओं के निर्देशांक के आकार को रिकॉर्ड और postprocessing के लिए डंप आदेश का उपयोग करें।
    4. यादृच्छिक त्रुटियों को कम करने के लिए तीन अलग-अलग प्रारंभिक वेग बीजों के साथ तीन स्वतंत्र कॉन्फ़िगरेशन पर आत्म-उपचार प्रक्रिया के दौरान सिमुलेशन परिणामों का औसत।

3. पोस्टप्रोसेसिंग

  1. आत्म-उपचार व्यवहार की कल्पना करें। सिमुलेशन प्रगति विज़ुअलाइज़ करने के लिए ओपन विज़ुअलाइज़ेशन उपकरण OVITO56 खोलें, और उसके बाद LAMMPS55 द्वारा जनरेट किए गए lammpstrj स्वरूप में प्रक्षेपवक्र फ़ाइलें खोलें। स्व-उपचार प्रक्रिया के स्नैपशॉट रिकॉर्ड करें और रेंडर कमांड का उपयोग करके डामर अणुओं के पथों को ट्रैक करें।
  2. परमाणु संख्या के समोच्च का विश्लेषण करें। LAMMPS से outputted प्रक्षेपवक्र फ़ाइलों से डेटा विश्लेषण और ग्राफिंग सॉफ़्टवेयर के लिए परमाणुओं के निर्देशांक निर्यात करें। yz विमान पर पूरे सिस्टम में परमाणुओं के निर्देशांक प्रोजेक्ट। Yz विमान के विभिन्न क्षेत्रों में रिकॉर्ड परमाणु संख्या और विभिन्न रंगों के साथ समोच्च साजिश.
  3. परमाणु गतिशीलता और सापेक्ष स्थिति का विश्लेषण करें।
    1. गणना msd आदेश का उपयोग कर माध्य-वर्ग विस्थापन (MSD) द्वारा विभिन्न डामर घटकों की परमाणु गतिशीलता का विश्लेषण करें।
    2. LAMMPS में RDF कमांड की गणना करके 15 Å और 35 Å दरार चौड़ाई के साथ graphene-संशोधित डामर सिस्टम की प्रणाली के लिए रेडियल वितरण कार्यों ( RDF ) घटता द्वारा graphene और डामर अणुओं के बीच सापेक्ष पदों की गणना करें।
    3. कैसे डामर का घनत्व graphene शीट से दूरी के एक समारोह के रूप में भिन्न होता है की जाँच करने के लिए RDF घटता आकर्षित करें।

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Representative Results

परमाणु संख्या का समोच्च
yz विमान में शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर मॉडल की परमाणु संख्या की रूपरेखा को चित्र 3 में दिखाया गया है, जहां नीले से लाल रंग की रंग पट्टी परमाणु संख्याओं को 0 से 28 तक प्रदर्शित करती है। चित्रा 3a-c शुद्ध डामर और डामर nanocomposites दरार टिप और दरार की सतह पर graphene द्वारा संशोधित में 15 Å दरार चौड़ाई के साथ संरचनाओं के परमाणु संख्या के समोच्च को दर्शाता है। शुद्ध डामर के लिए, पूर्ण उपचार लगभग 300 पीएस के बाद होता है। स्व-उपचार व्यवहार दरार टिप के क्षेत्र से शुरू होता है, क्योंकि दरार टिप के आसपास का क्षेत्र 50 पीएस के बाद नीले रंग के साथ एक पिघला हुआ कुंद आकार बन जाता है, और कई डामर अणु दरार टिप के बीच में दो दरार सतहों को पुल करते हैं। समोच्च में हरा रंग थोक डामर प्रस्तुत करता है, जो दरार क्षेत्र का चरण है जो पूर्ण आत्म-उपचार प्राप्त करता है। लगभग 100 पीएस पर, क्रैक ज़ोन लगभग एक छोटे से शून्य के साथ बंद हो जाता है, और प्रारंभिक दरार सतहों के रंग हरे रंग में बदल जाते हैं, जो इंगित करता है कि इन क्षेत्रों में आत्म-उपचार प्रक्रिया समाप्त हो गई है; हालांकि, अभी भी कुछ नीले और सफेद क्षेत्र हैं जो आत्म-चंगा होने के लिए शेष हैं। लगभग 300 पीएस के बाद, दरार क्षेत्र का अधिकांश रंग हरे रंग में बदल गया है, जो डामर थोक के समान है, यह दर्शाता है कि आत्म-उपचार प्रक्रिया पूरी हो गई है। जैसा कि चित्रा 3 बी में दिखाया गया है, दरार के शीर्ष पर ग्राफीन शीट जोड़ने के बाद आत्म-उपचार प्रक्रिया में काफी बदलाव नहीं किया गया है। आत्म-उपचार प्रक्रिया को पूरा करने के लिए लगभग 500 पीएस लगते हैं, और क्रैक ज़ोन 50 पीएस पर तेजी से कम हो जाता है और लगभग 200 पीएस पर गायब हो जाता है। दरार टिप के शीर्ष पर graphene शीट दरार सतह की आत्म-चिकित्सा प्रक्रिया पर थोड़ा प्रभाव पड़ता है लगता है. हालांकि, दरार की सतह के बाईं ओर ग्राफीन डालने से आत्म-उपचार प्रक्रिया में काफी तेजी आ सकती है, जैसा कि चित्रा 3 सी में दिखाया गया है, जहां समोच्च में लाल रेखा ग्राफीन शीट है। स्व-उपचार अवधि को लगभग 200 पीएस तक छोटा कर दिया जाता है, जो शुद्ध डामर के रूप में आधा है। दरार चौड़ाई काफी 20 पीएस पर कम हो गई है, और थोक से डामर अणुओं graphene क्षेत्र में स्थानांतरित करने के लिए और दरार क्षेत्र को भरने के लिए करते हैं। दरार क्षेत्र लगभग 150 पीएस पर गायब हो जाता है, हालांकि नीचे के कुछ क्षेत्र नीले रहते हैं। आत्म-उपचार प्रक्रिया के एक और 50 पीएस के बाद, दरार क्षेत्र नीले रंग से भरा हुआ है, जो प्रक्रिया के अंत को इंगित करता है।

35 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल की आत्म-उपचार प्रक्रिया 15 Å दरार चौड़ाई वाले मॉडल के रूप में लगभग दो बार लंबे समय तक लेती है, जबकि शुद्ध डामर की आत्म-उपचार प्रक्रिया लगभग 1,000 पीएस तक रहती है। स्व-उपचार व्यवहार क्रैक टिप क्षेत्र में शुरू होता है, और दरार का आकार 100 पीएस पर सिकुड़ा हुआ और अनियमित हो जाता है। अधिकांश दरार क्षेत्र 500 पीएस द्वारा चंगा किया जाता है, जिसमें दरार क्षेत्र के बीच में एक छोटा शून्य छोड़ दिया जाता है। एक और 500 पीएस के लिए आत्म-उपचार प्रक्रिया करने के बाद, क्रैक ज़ोन डामर अणुओं से भरा होता है जब तक कि आत्म-उपचार प्रक्रिया पूरी नहीं हो जाती है। Graphene शीट दरार टिप के शीर्ष पर स्थित है, जैसा कि चित्रा 3e की लाल रेखा द्वारा दिखाया गया है। स्व-उपचार अवधि लगभग 1,100 पीएस है, जो शुद्ध डामर के करीब है। हालांकि, दरार का आकार अलग-अलग बदलता है। कुछ डामर अणु हैं जो लगभग 400 पीएस पर दरार क्षेत्र को पुल करते हैं, जो आत्म-उपचार प्रक्रिया को आगे बढ़ा सकते हैं। जैसा कि चित्रा 3f में दिखाया गया है, स्व-उपचार व्यवहार में काफी सुधार किया जा सकता है जब ग्राफीन शीट बाईं दरार सतह पर स्थित होती है। एक घटना को 15 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल के समान देखा जा सकता है: डामर थोक में डामर अणुओं में से कुछ ग्राफीन क्षेत्र में जाते हैं और ग्राफीन शीट के चारों ओर लपेटते हैं, जो दरार क्षेत्र को काफी कम कर सकते हैं और आत्म-उपचार प्रक्रिया में मदद कर सकते हैं। दरार की चौड़ाई केवल 50 पीएस द्वारा प्रारंभिक दरार चौड़ाई के लगभग आधे हिस्से तक कम हो जाती है, और अधिकांश दरार क्षेत्र लगभग 300 पीएस पर ठीक हो जाता है। पूरी आत्म-उपचार प्रक्रिया लगभग 600 पीएस तक रहती है और अधिकांश दरार क्षेत्र गायब हो जाता है; यह शुद्ध डामर द्वारा लिए गए समय की केवल आधी लंबाई लेता है।

Figure 3
चित्रा 3: आत्म-उपचार प्रक्रिया के दौरान परमाणु संख्या का समोच्च। (ए) शुद्ध डामर, (बी) दरार टिप पर ग्राफीन, और (सी) दरार टिप की बाईं सतह पर ग्राफीन के लिए 15 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल के लिए आत्म-चिकित्सा प्रक्रिया के दौरान परमाणु संख्या का समोच्च, और (डी) शुद्ध डामर के लिए 35 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल, (ई) दरार टिप पर graphene, और (च) दरार टिप की बाईं सतह पर graphene. बिंदीदार काले बक्से graphene के स्थानों को संदर्भित करते हैं। नीले से लाल रंग की पट्टी समोच्च में 0 से 28 तक भिन्न परमाणु संख्याओं के लिए खड़ी है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

आणविक अंतःक्रियाएं
शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर कंपोजिट के बीच आत्म-उपचार व्यवहार में अंतर का पता लगाने के लिए, आत्म-उपचार प्रक्रिया के दौरान आणविक इंटरैक्शन और आंदोलन पर कब्जा कर लिया जाता है और विश्लेषण किया जाता है, जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है। चित्रा 4a से, यह देखा जा सकता है कि एस्फाल्टीन, ध्रुवीय एरोमैटिक्स और नेफ्थेन एरोमैटिक्स जैसे सुगंधित अणुओं को π-π स्टैकिंग के माध्यम से ग्राफीन शीट द्वारा आकर्षित किया जाता है जब ग्राफीन को क्रैक टिप के शीर्ष क्षेत्र पर रखा जाता है। इन डामर अणुओं को ग्राफीन शीट द्वारा कसकर कब्जा कर लिया जाता है और दरार क्षेत्र के पड़ोस में आसानी से फैल नहीं सकता है या दरार को भर नहीं सकता है, जो कुछ हद तक आत्म-उपचार प्रक्रिया में बाधा डालता है। हालांकि, स्व-उपचार व्यवहार मुख्य रूप से दरार की सतह के पास डामर अणुओं से उत्पन्न होते हैं, और शीर्ष क्षेत्र में इन अणुओं के प्रभाव को आगे की खोज की आवश्यकता होती है। चित्रा 4 बी से, यह देखा गया है कि दरार की सतह पर ध्रुवीय सुगंधित अणु अन्य दरार सतह पर ग्राफीन शीट द्वारा आकर्षित होता है, जो पास के नेफ्थीन सुगंधित अणु की दरार क्षेत्र पर जाने की संभावना को और बढ़ा सकता है। Graphene शीट द्वारा आकर्षित इकट्ठा डामर अणुओं शुद्ध डामर की तुलना में एक उच्च गति के साथ दरार क्षेत्र पैक कर सकते हैं और graphene-संशोधित डामर nanocomposite की आत्म-चिकित्सा क्षमता में सुधार किया जा सकता है। बाईं दरार सतह पर graphene द्वारा संशोधित 35 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल की आत्म-उपचार प्रक्रिया चित्रा 4c में दिखाया गया है। ध्रुवीय सुगंधित अणुओं को π-π स्टैकिंग के माध्यम से ग्राफीन शीट द्वारा आकर्षित किया जाता है जब आत्म-उपचार शुरू होता है, और ये डामर अणु तेजी से ग्राफीन शीट के चारों ओर लपेट सकते हैं और क्रैक ज़ोन के स्थान को कम कर सकते हैं, जैसा कि चित्रा 3 एफ में दिखाया गया है। यह इंगित करता है कि graphene आत्म-उपचार के प्रारंभिक चरण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है जब यह दरार की सतह के चारों ओर स्थित होता है। 15 Å दरार चौड़ाई के साथ शुद्ध डामर का एक स्व-उपचार स्नैपशॉट चित्र 4 डी में दिखाया गया है। यह स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है कि संतृप्त की श्रृंखला संरचना आत्म-उपचार प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि अणु एक दूसरे के साथ उलझ सकते हैं और दरार की सतह को पुल कर सकते हैं। संतृप्त अणुओं और डामर के अणुओं की साइड चेन के बीच यह ब्रिजिंग प्रभाव पैकिंग दक्षता को काफी बढ़ा सकता है और आत्म-उपचार अवधि को कम कर सकता है। यह भी देखा गया है कि पॉलीएरोमैटिक छल्ले के साथ डामर अणु, जैसे कि डामर, ध्रुवीय एरोमैटिक्स, और नेफ्थेन एरोमैटिक्स, π-π स्टैकिंग द्वारा दरार की सतह पर खुद को फिर से उन्मुख करते हैं। यह पुनर्विन्यास डामर अणुओं को समानांतर दिशा में स्थानांतरित करने की अनुमति देता है और दरार गीला करने में योगदान देता है, जो दरार सतहों को और बंद कर देता है।

Figure 4
चित्रा 4: स्व-उपचार प्रक्रिया के दौरान शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर nanocomposites के गैर-बांड बातचीत का विवरण। (ए) 15 Å दरार चौड़ाई और दरार टिप के शीर्ष पर स्थित graphene के साथ मॉडल के लिए, डामर में सुगंधित अणुओं π-π stacking के माध्यम से graphene शीट द्वारा आकर्षित कर रहे हैं. (बी) 15 Å दरार चौड़ाई और दरार सतह के बाईं ओर graphene के साथ मॉडल के लिए, अन्य दरार सतह पर ध्रुवीय सुगंधित अणुओं मजबूत सुगंधित बातचीत के कारण graphene सतह पर कदम. (सी) 35 Å दरार चौड़ाई और दरार सतह के बाईं ओर graphene के साथ मॉडल के लिए, ध्रुवीय सुगंधित अणुओं graphene शीट द्वारा आकर्षित कर रहे हैं और इस प्रकार दरार सतह से बाहर निकले. (डी) 15 Å दरार चौड़ाई और शुद्ध डामर के साथ मॉडल के लिए, दरार की सतह पर सुगंधित अणुओं का एक reorientation है और एक श्रृंखला ब्रिजिंग और आत्म-उपचार प्रक्रिया के दौरान संतृप्त अणुओं की उलझन है। चित्र में नीले बिंदीदार बक्से और बैंगनी बिंदीदार बक्से क्रमशः π-π स्टैकिंग और पुनर्विन्यास व्यवहार का संकेत देते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

स्व-उपचार प्रक्रिया के दौरान दरार की सतह के चारों ओर एस्फाल्टीन, ध्रुवीय एरोमैटिक्स और नेफ्थेन एरोमैटिक्स सहित सुगंधित अणुओं का पुनर्विन्यास, चित्र 5 में दिखाया गया है। चित्रा 5a से पता चलता है कि स्व-उपचार से पहले ट्रैक किए गए अणु नेफ्थेन एरोमैटिक्स और ध्रुवीय एरोमैटिक्स के बीच और एस्फाल्टीन और ध्रुवीय एरोमैटिक्स के बीच लगभग लंबवत होते हैं। डामरीन और अन्य दो सुगंधित अणुओं के बीच की दूरी 13.3 Å है, जो सुगंधित अणुओं के बीच की दूरी से अधिक है। 40 पीएस के लिए आत्म-उपचार के बाद, नेफ्थेन सुगंधित अणु डामरटेन और ध्रुवीय एरोमैटिक्स के बीच की जगह में फैलता है और अन्य दो अणुओं के साथ बातचीत करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। चित्र 5b में, यह देखा जा सकता है कि ध्रुवीय सुगंधित अणु और नेफ्थेन सुगंधित अणु के बीच की दूरी और कोण 4.6 Å और 89° हैं, जो दो सुगंधित अणुओं के बीच एक T-आकार के π-π स्टैकिंग इंटरैक्शन को इंगित करता है। नेफ्थीन सुगंधित और डामर के बीच का कोण और दूरी क्रमशः 32° और 4.6 Å तक कम हो जाती है। यह इंगित करता है कि नेफ्थेन एरोमैटिक्स और एस्फाल्टीन के बीच गैर-बॉन्ड इंटरैक्शन उन्हें धीरे-धीरे अभिविन्यास को घुमाने और समायोजित करने का कारण बनता है, जिससे दरार की सतह को गीला करने में योगदान मिलता है। तीन अणुओं के झुकाव 50 पीएस के बाद लगभग समानांतर होते हैं, क्योंकि उनके बीच के कोण 26 ° और 35 ° होते हैं, जैसा कि चित्र 5c में दिखाया गया है। उनके बीच की दूरी 4.0 Å से नीचे गिर जाती है, जो इंगित करती है कि π-π स्टैकिंग समानांतर संरचना की सुविधा प्रदान करता है और सुगंधित अणुओं को एक साथ करीब लाता है। कुल मिलाकर, दरार की सतह पर पुनर्विन्यास डामर अणुओं की बातचीत को बढ़ावा देता है, जो इंटरमॉलिक्युलर दूरी को कम करता है और उनके बीच आकर्षण को बढ़ाता है। डामर अणुओं के पुनर्विन्यास और प्रसार आगे दरार क्षेत्र को भरने में सहायता करते हैं और आत्म-उपचार प्रक्रिया को गति देते हैं।

Figure 5
चित्रा 5: स्व-उपचार प्रक्रिया के दौरान डामर अणुओं का पुनर्विन्यास। डामर अणुओं के बीच कोण और दूरी (ए) आत्म-उपचार से पहले, (बी) 40 पीएस के बाद, और (सी) 50 पीएस पर। कृपया इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए यहां क्लिक करें।

डामर घटकों की गतिशीलता
डामर के स्व-उपचार व्यवहारों में मात्रात्मक रूप से विभिन्न घटकों की भूमिकाओं को समझने के लिए, डामर समग्र के लिए केंद्र द्रव्यमान के एमएसडी की गणना आत्म-उपचार प्रक्रिया के दौरान संक्रमणकालीन गतिशीलता का प्रतिनिधित्व करने के लिए की जाती है, जिसे व्यक्त किया जाता है:

Equation 2

जहां ri(t) समय t पर कण i की स्थिति वेक्टर है, और कोणीय कोष्ठक यात्रा दूरी के औसत मूल्य को इंगित करता है। शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर के MSD मूल्यों को ट्रैक किया जाता है और चित्र 6 में दिखाया गया है। चित्रा 6a-c एक 15 Å चौड़ाई दरार के साथ डामर समग्र के MSD से पता चलता है, जबकि एक 35 Å चौड़ाई दरार के साथ उन लोगों को चित्र 6d-f में दिखाया गया है। यह देखा जा सकता है कि संतृप्त डामर के आत्म-उपचार व्यवहार में सबसे सक्रिय घटक हैं, जबकि डामर कम से कम सक्रिय है। दो संभावित कारण हैं: एक आणविक द्रव्यमान से संबंधित है, क्योंकि डामर में डामर में उच्चतम आणविक द्रव्यमान होता है, और वे दरार क्षेत्र को स्थानांतरित करने और भरने में कम सक्षम होते हैं। दूसरा संतृप्त की श्रृंखला जैसी संरचना है, जिसमें अन्य घटकों की तुलना में उच्च गतिशीलता होती है और दरार की सतह पर उलझने और खिंचाव की अधिक संभावना होती है। ध्रुवीय एरोमैटिक्स की गतिशीलता नेफ्थीन एरोमैटिक्स की तुलना में अधिक है; यह ध्रुवीय एरोमैटिक्स के उच्च आणविक द्रव्यमान और ध्रुवीयता के कारण है। ध्रुवीय एरोमैटिक्स पर ध्रुवीय परमाणु, जैसे सल्फर परमाणु, डामर के साथ एक एच-बॉन्ड बना सकते हैं, और गतिशीलता को बाधित किया जा सकता है। दरार टिप और बाईं दरार सतह के शीर्ष क्षेत्र पर graphene-संशोधित डामर के लिए MSD आंकड़े चित्रा 6b और चित्रा 6c में दिखाए गए हैं। यह चित्रा 6b में देखा जा सकता है कि graphene का MSD डामर घटकों की तुलना में कम है क्योंकि graphene सबसे बड़ी मात्रा में कब्जा कर लेता है और डामर nanocomposites में उच्चतम आणविक द्रव्यमान है। डामर घटकों के एमएसडी मूल्य शुद्ध डामर की तुलना में अपेक्षाकृत कम हैं; ऐसा इसलिए है क्योंकि इन अणुओं और graphene के बीच बातचीत डामर अणुओं की गतिशीलता में बाधा डालती है और आत्म-उपचार प्रक्रिया को धीमा कर देती है। हालांकि, जब graphene बाईं दरार सतह पर रखा जाता है, ध्रुवीय aromatics, naphthene aromatics, और graphene की गतिशीलता शुद्ध डामर की तुलना में काफी सुधार. यह इंगित करता है कि graphene आत्म-उपचार प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है और डामर में सुगंधित अणुओं के साथ इसकी बातचीत डामर की आत्म-उपचार प्रक्रिया में योगदान करती है। चित्रा 6 डी में 35 Å चौड़ाई दरार मामले के लिए, शुद्ध डामर का एमएसडी 15 Å दरार चौड़ाई के साथ मामले के समान प्रवृत्ति का अनुसरण करता है, क्योंकि डामर, ध्रुवीय एरोमैटिक्स, नेफ्थीन एरोमैटिक्स और संतृप्त के एमएसडी एक बढ़ते तरीके से भिन्न होते हैं। दरार टिप के शीर्ष क्षेत्र में graphene डालने पर, संतृप्त का MSD लगभग 15 Å2 से कम हो जाता है। डामर थोक में graphene चादरों का अस्तित्व लंबवत संतृप्त अणुओं के मोबाइल स्थान को प्रभावित करता है और आत्म-उपचार के मार्गों को रोकता है। चित्रा 6f से, यह देखा जा सकता है कि एस्फाल्टीन, ध्रुवीय एरोमैटिक्स और नेफ्थेन एरोमैटिक्स के एमएसडी मूल्यों में शुद्ध डामर की तुलना में सुधार किया जाता है, जबकि संतृप्त का एमएसडी थोड़ा कम हो जाता है। Graphene आत्म-उपचार प्रक्रिया के सुधार के लिए अत्यधिक जिम्मेदार है, विशेष रूप से एरोमैटिक्स युक्त अणुओं के साथ। graphene और asphaltene, ध्रुवीय aromatics, और naphthene aromatics के बीच π-π स्टैकिंग इंटरैक्शन इन डामर अणुओं की गतिशीलता में सुधार करते हैं और दरार क्षेत्र में एक स्थिर पैकिंग संरचना बनाने में मदद करते हैं, जो डामर की आत्म-उपचार प्रक्रिया को तेज करता है।

Figure 6
चित्रा 6: स्व-उपचार प्रक्रिया के दौरान शुद्ध डामर और ग्राफीन-संशोधित डामर अणुओं का एमएसडी। 15 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल के लिए, (ए) शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर के MSD के लिए (बी) दरार टिप के शीर्ष और (सी) बाईं सतह प्रस्तुत की जाती है। 35 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल के लिए, (डी) शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर के MSD के लिए (ई) दरार टिप के शीर्ष और (च) बाईं दरार सतह प्रस्तुत किया जाता है. एक्स-अक्ष सिमुलेशन के समय का प्रतिनिधित्व करता है और वाई-अक्ष स्व-उपचार प्रक्रिया के दौरान डामर घटकों और ग्राफीन अणु के एमएसडी मूल्यों का प्रतिनिधित्व करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

आत्म-उपचार के बाद आणविक स्थान
स्व-उपचार प्रक्रिया के दौरान ग्राफीन और डामर अणुओं के बीच सापेक्ष स्थानों का पता लगाने के लिए, डामर में ग्राफीन और सुगंधित अणुओं के बीच रेडियल वितरण कार्यों की गणना की जाती है और चित्र7 में दिखाया गया है। चित्रा 7a-c 15 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल के RDF से पता चलता है पहले और आत्म-उपचार प्रक्रिया के बाद. यह देखा जा सकता है कि डामर में सुगंधित अणु आत्म-उपचार प्रक्रिया के बाद ग्राफीन शीट के करीब चले जाते हैं, विशेष रूप से ध्रुवीय सुगंधित अणुओं और नेफ्थीन सुगंधित अणुओं। जैसा कि चित्रा 4 में इंगित किया गया है, graphene और सुगंधित अणुओं जैसे कि asphaltene, ध्रुवीय aromatics, और naphthene aromatics के बीच मजबूत π-π स्टैकिंग इंटरैक्शन हैं, जो graphene शीट को दरार की सतह की ओर इन अणुओं को आकर्षित करने का कारण बनते हैं। हालांकि, आत्म-उपचार से पहले और बाद में डामर के जी (आर) मूल्यों में अंतर ध्रुवीय एरोमैटिक्स और नेफ्थेन एरोमैटिक्स के रूप में महत्वपूर्ण नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एस्फाल्टीन अणु ध्रुवीय सुगंधित और नेफ्थेन सुगंधित अणुओं की तुलना में एक उच्च आणविक द्रव्यमान और मात्रा प्राप्त करते हैं, जिससे उनके लिए ग्राफीन क्षेत्र में घूमना और फैलाना और दरार क्षेत्र को भरना मुश्किल हो जाता है। 4.0 Å के भीतर graphene और ध्रुवीय सुगंधित या naphthene सुगंधित अणुओं के बीच बढ़े हुए जी (आर) मान π-π स्टैकिंग के लिए विशिष्ट बातचीत दूरी के भीतर हैं, और 4.0 Å से परे बढ़े हुए जी (आर) मूल्य आणविक इंटरैक्शन के संयोजन और दरार क्षेत्र के उन्मूलन के कारण हैं। स्व-उपचार प्रक्रिया से पहले और बाद में 35 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल का एक RDF चित्र 7d-f में दिखाया गया है। आत्म-उपचार प्रक्रिया के माध्यम से 4.0 Å से परे graphene और asphaltene के बीच जी (आर) मूल्यों 15 Å दरार चौड़ाई के उन लोगों की तुलना में अधिक स्पष्ट हैं; ऐसा इसलिए है क्योंकि asphaltene में फैलाने और बड़े दरार क्षेत्र में graphene की ओर बढ़ने के लिए अधिक जगह है। 4.0 Å के भीतर जी (आर) मान ध्रुवीय एरोमैटिक्स की तुलना में नेफ्थेन एरोमैटिक्स के लिए अधिक महत्वपूर्ण हैं; यह छोटे आणविक द्रव्यमान और नेफ्थेन सुगंधित अणुओं की बेहतर प्रसार क्षमता के कारण है।

Figure 7
चित्रा 7: बाईं दरार सतह और डामर घटकों पर graphene के बीच RDF मान. बाईं दरार की सतह पर graphene और (ए) asphaltene, (बी) ध्रुवीय aromatics, (सी) 15 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल से naphthene aromatics के डामर घटकों के बीच RDF मूल्यों, (डी) डामर, (ई) ध्रुवीय aromatics, और (च) 35 Å दरार चौड़ाई के साथ मॉडल से नेफ्थीन aromatics. एक्स-अक्ष दो अणुओं की दूरी का प्रतिनिधित्व करता है और Y-अक्ष RDF मानों का प्रतिनिधित्व करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

प्रोटोकॉल भाग के भीतर महत्वपूर्ण चरण निम्नानुसार हैं: चरण 1.4 - चार प्रकार के डामर अणुओं का निर्माण और पैक करें; चरण 1.5 - दरार के साथ डामर संरचना का निर्माण; चरण 2.3 - संतुलन प्राप्त करें; चरण 2.4 - आत्म-उपचार प्रक्रिया निष्पादित करें। ये चरण प्रोटोकॉल की सबसे एकजुट और महत्वपूर्ण सामग्री को इंगित करते हैं। सम्मिलित दरार के वांछित आकार बनाने के लिए, पैकिंग प्रक्रिया सामग्री स्टूडियो में सामान्य पैकिंग की तुलना में संशोधित किया जाता है। दरार आकार बनाया जाता है और सिमुलेशन बॉक्स के अंदर भर जाता है, और फिर डामर अणुओं को सिमुलेशन बॉक्स के दूसरे भाग में पैक किया जाता है। उसके बाद, अनावश्यक डामर अणुओं को बनाए गए दरार समोच्च के चारों ओर हटा दिया जाता है। एमडी सिमुलेशन की सीमा यह है कि परिमित तत्व विधि जैसे पारंपरिक तरीकों की तुलना में नैनोसेकंड और नैनोमीटर के क्रम में समय पैमाने और लंबाई पैमाने अपेक्षाकृत छोटे होते हैं, जिसमें सिमुलेशन का विश्लेषण सेकंड और मीटर57 तक किया जा सकता है। इस विधि का महत्व यह है कि यह नैनोस्ट्रक्चर विकास, आणविक इंटरैक्शन और गतियों पर कब्जा करके परमाणु स्तर पर डामर और ग्राफीन-संशोधित डामर के आत्म-उपचार तंत्र को प्रकट कर सकता है, जिसे पारंपरिक दृष्टिकोण58 द्वारा एक्सेस करना मुश्किल है। स्व-उपचार तंत्र शोधकर्ताओं और इंजीनियरों को उचित साइट पर नैनोमैटेरियल्स लागू करने और एक कुशल तरीके से डामर में सुधार करने में मदद कर सकता है। इस तकनीक का भविष्य का अनुप्रयोग यह है कि यह एक सभ्य तरीके से आणविक संरचना की निगरानी कर सकता है और दोषों, मुड़ी हुई संरचनाओं और कार्यात्मक समूहों जैसे नैनोमटेरियल्स के अन्य चर के प्रभाव की जांच करने में मदद कर सकता है। इस तकनीक को एक मल्टीस्केल पहलू से डामर nanocomposites के आत्म-उपचार व्यवहार का निरीक्षण करने के लिए अन्य दृष्टिकोणों के साथ भी जोड़ा जा सकता है। डामर के आत्म-उपचार गुणों को अच्छी तरह से समझा जा सकता है और भविष्य में काफी सुधार किया जा सकता है।

Graphene परिवर्तन और अंतरफलक और आत्म हीलिंग प्रक्रिया के दौरान घटकों के प्रवास में महत्वपूर्ण है. ग्राफीन शीट डालने के बिना, संतृप्त आत्म-उपचार प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि संतृप्त की श्रृंखला संरचना एक-दूसरे के साथ उलझ सकती है और दरार की सतह को पुल कर सकती है। संतृप्त अणुओं और डामर अणुओं की साइड चेन के बीच ब्रिजिंग प्रभाव पैकिंग घनत्व को दृढ़ता से बढ़ा सकता है और आत्म-उपचार प्रक्रिया के समय को कम कर सकता है। इसके अलावा, पॉलीएरोमैटिक रिंग्स के साथ डामर अणु, जैसे कि डामर, ध्रुवीय एरोमैटिक्स और नेफ्थेन एरोमैटिक्स, π-π स्टैकिंग द्वारा दरार की सतह पर खुद को फिर से उन्मुख करते हैं, जो डामर अणुओं को समानांतर दिशा में आगे बढ़ाता है और दरार को गीला करने में योगदान देता है और दरार सतहों को बंद कर देता है। Graphene के सम्मिलन के साथ, दरार की सतह के एक तरफ ध्रुवीय सुगंधित अणुओं को दरार की सतह के दूसरी तरफ graphene शीट द्वारा आकर्षित किया जाता है, जो आगे दरार क्षेत्र में जाने वाले पास के नेफ्थीन सुगंधित अणुओं की संभावना को बढ़ा सकता है। graphene शीट द्वारा आकर्षित इकट्ठा डामर अणुओं शुद्ध डामर में है कि की तुलना में एक उच्च गति के साथ दरार क्षेत्र में भर सकते हैं, और स्व-चिकित्सा क्षमता graphene संशोधित डामर nanocomposite में काफी सुधार हुआ है. डामर अणुओं में डामर मैट्रिक्स में उच्च आणविक द्रव्यमान और मात्रा होती है, जो उन्हें ग्राफीन भाग में फैलाने और दरार क्षेत्र में भरने के लिए कठिन बनाती है। नेफ्थेन एरोमैटिक्स में ध्रुवीय एरोमैटिक्स की तुलना में तेजी से आंदोलन होता है, जो छोटे आणविक द्रव्यमान और नेफ्थेन सुगंधित अणुओं की बेहतर प्रसार क्षमताके कारण होता है।

इस अध्ययन में, शुद्ध डामर और graphene-संशोधित डामर nanocomposites के स्व-उपचार गुणों की जांच एमडी सिमुलेशन का उपयोग करके विभिन्न दरार चौड़ाई और graphene स्थानों के विचार में की जाती है। यह देखा गया है कि आत्म-उपचार व्यवहार दरार टिप क्षेत्र से शुरू होता है, तेज टिप कुंद और फजी होने के साथ। दरार सीमा पर डामर अणु दरार की चौड़ाई को कम करने और अंतर को भरने के लिए जारी रखने के लिए फैला सकते हैं। पूर्ण आत्म-उपचार प्रक्रिया की पुष्टि तब की जाती है जब दरार क्षेत्र का परमाणु घनत्व डामर थोक के समान होता है। एमडी सिमुलेशन आत्म-उपचार प्रक्रिया के दौरान डामर मैट्रिक्स में आणविक इंटरैक्शन और श्रृंखला आंदोलन को प्रकट करने में मदद कर सकते हैं। डामर अणुओं की उलझन और पुनर्विन्यास आत्म-उपचार व्यवहार में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। Graphene शीट के निगमन के साथ आत्म-उपचार दर इसके स्थान से निर्धारित होती है। दरार टिप क्षेत्र में स्थित graphene शीट के लिए, डामर अणुओं के आंदोलन में बाधा आती है और आसानी से दरार क्षेत्र में फैल नहीं सकता है। दरार क्षेत्र के किनारे पर graphene शीट के लिए, डामर अणुओं graphene शीट द्वारा आकर्षित कर रहे हैं π-π stacking बातचीत के कारण और आसानी से दरार क्षेत्र में इकट्ठा, एक बढ़ती आत्म हीलिंग दर का संकेत. सिमुलेशन परिणामों से पता चलता है कि nanomaterials द्वारा डामर के संशोधन दोनों thermomechanical और आत्म हीलिंग गुणों में सुधार कर सकते हैं, जो स्मार्ट डामर फुटपाथ के विकास के लिए महान क्षमता है। एमडी सिमुलेशन के आधार पर डामर nanocomposites में स्व-उपचार तंत्र की मौलिक समझ इष्टतम साइट पर nanomaterials के कुशल हेरफेर की सुविधा प्रदान कर सकती है, जो वांछित गुणों और कार्यों के साथ डामर nanocomposites के उन्नत डिजाइन के लिए फायदेमंद है।

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Disclosures

लेखकों के पास घोषित करने के लिए हितों का कोई संघर्ष नहीं है।

Acknowledgments

लेखकों को परियोजना संख्या 7005547 के साथ हांगकांग सामरिक अनुसंधान अनुदान के सिटी विश्वविद्यालय से समर्थन के लिए आभारी हैं, हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र, चीन के अनुसंधान अनुदान परिषद (RGC) से समर्थन, परियोजना सं. R5007-18, और अनुदान JCYJ20170818103206501 के तहत शेन्ज़ेन विज्ञान और प्रौद्योगिकी नवाचार समिति से समर्थन।

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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इंजीनियरिंग मुद्दा 183 डामर graphene आणविक गतिशीलता सिमुलेशन आत्म हीलिंग
उन्नत स्व हीलिंग डामर Graphene संरचनाओं द्वारा प्रबलित: एक Atomistic अंतर्दृष्टि
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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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