石墨烯结构增强的先进自愈合沥青:原子学见解

该方法可以帮助回答基于纳米复合材料的沥青中的全裂纹自愈合，以及石墨如何提高沥青的容量。该技术可以分析实验不容易评估的物质行为，并且可以在原子水平上提供有关自愈机制的基本信息。这种方法可以深入了解各种材料系统中动态进化的基本物理学，包括无机系统和相关界面，甚至可以凝视电分子。

如果不熟悉这种技术，人们应该了解分子动力学模拟的基本理论，并在进行任何模拟之前弄清楚每个命令的基本含义。要开始打开材料工作室软件，然后为石墨元素创建一个三维原子文档，并使用草图原子选项构建石墨模型。将石墨点MSI文件导入材料工作室后，在对称下的构建菜单中，使用超级单元选项构建最终结构。

将石墨片的大小定义为40×40埃，其在裂纹宽度上大于沥青链。接下来，要构建和包装四种类型的沥青分子，请分别创建沥青质，极性芳烃，环烷芳烃和饱和剂的三维原子学文档。然后使用草图原子选项，绘制这些分子的分子结构。

接下来，使用模块下非晶电池菜单中的计算选项，将这四种沥青分子打包到模拟框中。然后，要构建具有裂缝的沥青结构，将裂缝区的高度设置为X维，与70埃的箱体高度相同，并将Y维中裂纹区的深度设置为箱体高度的一半为35埃。在 Z 维 15 和 35 埃中设置两种裂纹宽度情况。

然后，使用删除选项，删除沥青块体中下区域裂缝区域的冗余分子，并保持中间上部区域的沥青基质不变。为了达到平衡，在1个大气压下，将整个模拟箱在等温等压系综下500皮秒后完全放松，温度为300开尔文。然后，使用热命令，通过连续检查温度，压力，密度和能量值，将沥青块体平衡到实验测量的所需密度值。

检查整个系统中均方位移中势能的收敛性，以实现完全松弛状态。接下来，要执行自愈过程，将整个模拟盒设置在等温等压集合下，温度为300开尔文，压力为1个大气压。然后，去除沥青分子在裂纹区轮廓上的约束。

跟踪并记录模拟盒在原子坐标中的大小。然后，使用转储命令进行后处理。最后，在3个不同初始速度种子的3个独立构型上对自愈过程中的仿真结果进行平均，以减少随机误差。

为了可视化自愈行为和仿真进度，请打开打开可视化工具OVITO"，然后打开LAMMPS生成的LAMMPS TRJ格式的轨迹文件。记录自愈过程的快照，然后使用渲染命令跟踪沥青分子的路径。接下来，要分析原子数的轮廓，将原子的坐标从轨迹文件导出到数据分析和绘图软件中。

将整个系统中原子的坐标投影到YZ平面上，然后在YZ平面的不同区域记录原子数，并用不同的颜色绘制轮廓。接下来，通过使用计算MSD命令计算均方位移来分析不同沥青组分的原子迁移率。然后使用计算RDF命令和LAMMPS，通过径向分布因子或RDF曲线计算石墨和沥青分子之间的相对位置，以绘制具有15和35埃裂纹宽度的改性沥青系统。

最后，绘制RDF曲线以检查沥青的密度如何随与石墨片的距离而变化。对于纯沥青，300皮秒后会发生完全自愈。裂纹区在50时急剧减少，在200皮秒时几乎消失。

将石墨烯插入裂纹表面的左侧可以显着加速自愈过程。愈合期缩短至200皮秒，裂纹宽度在20时显着减小，在150皮秒左右几乎消失。当石墨烯片位于左裂纹表面时，自愈合行为显着改善。

当石墨烯放置在左裂纹表面时，与纯沥青相比，极性芳烃，环烷芳烃和石墨的迁移率显着提高。在15埃裂纹宽度模型中，沥青组分左裂纹面石墨之间的RDF值表明，芳香族分子和沥青向石墨烯片状物移动得更近，特别是极性芳香族分子和环烯芳香族分子。其中，超过4埃的35埃裂纹宽度模型RDF值比15埃裂纹宽度模型的值更明显，因为沥青岩有更多的空间扩散并朝着较大裂纹带中的石墨石移动。

在沥青模型中设置合理的裂缝非常重要，同时确保裂缝保持良好并且系统完全平衡。可以在此程序的基础上进行成本晶粒建模，以涵盖更广泛的长度尺度，并进一步带来沥青中不同尺度裂缝的自愈合。该技术可以监测和优化具有特殊设计的纳米填料的分子结构，例如缺陷，光结构和官能团，以进一步改进沥青基纳米复合材料。