שיטה זו יכולה לעזור לענות על ריפוי עצמי של סדקים שלמים באספלט המבוסס על הננו-מרוכבים, וכיצד גרפיט יכול לשפר את יכולת האספלט. טכניקה זו יכולה לנתח התנהגויות חומריות שלא ניתן להעריך בקלות על ידי ניסויים, ויכולה לספק את המידע הבסיסי על מנגנון הריפוי העצמי ברמה האטומית. שיטה זו יכולה לספק תובנות על הפיזיקה הבסיסית של האבולוציה הדינמית במערכות חומרים שונות, כולל מערכות אי-אורגניות-אנאורגיות וממשקים קשורים, או אפילו להביט במולקולות אלקטרו.
אם אינכם מכירים את הטכניקה הזו, יש להבין את התיאוריה הבסיסית של סימולציות דינמיות של מולקולות ולהבין את המשמעות הבסיסית של כל פקודה לפני ביצוע סימולציות כלשהן. כדי להתחיל לפתוח את תוכנת סטודיו החומר, ולאחר מכן ליצור מסמך אטומיסטי תלת מימדי עבור גרפין ולבנות את מודל הגרפין באמצעות אפשרות אטום סקיצה. לאחר ייבוא קובץ ה-MSI של נקודת הגרפיט לתוך סטודיו החומר, בתפריט הבנייה תחת סימטריה, בנו את המבנה הסופי באמצעות אפשרות תא העל.
הגדר את גודל יריעת הגרפין כ- 40 על 40 אנגסטרומים, שהוא גדול יותר משרשראות האספלט ברוחב הסדק. לאחר מכן, כדי לבנות ולארוז את ארבעת סוגי מולקולות האספלט, ליצור את המסמכים האטומיסטיים התלת-ממדיים לאספלטן, ארומטיים קוטביים, ארומטיות נאפתן ורוויות בנפרד. לאחר מכן, באמצעות אפשרות אטום השרטוט, ציירו את המבנים המולקולריים של מולקולות אלה.
לאחר מכן, באמצעות אפשרות החישוב מתפריט התאים האמורפיים תחת מודולים, ארזו את ארבעת הסוגים האלה של מולקולות אספלט לתוך תיבת הסימולציה. לאחר מכן, כדי לבנות את מבנה האספלט עם הסדק, קבעו את גובה אזור הסדק בממד X, זהה לגובה התיבה של 70 אנגסטרומים, וקבעו את עומק אזור הסדק בממד Y למחצית מגובה התיבה כ-35 אנגסטרומים. הגדר שני מקרים של רוחב הסדק בממד Z של 15 ו -35 אנגסטרומים.
לאחר מכן, באמצעות אפשרות המחיקה, מחקו את המולקולות המיותרות באזורי הסדקים של האזור האמצעי למטה של תפזורת האספלט, ושמרו על מטריצת האספלט באזור האמצעי למעלה ללא שינוי. כדי להשיג שיווי משקל, מקם את כל תיבת הסימולציה רגועה לחלוטין לאחר 500 פיקו-שניות מתחת להרכב האיזוברי האיזותרמי עם טמפרטורה של 300 קלווין בלחץ של אטמוספירה אחת. לאחר מכן, באמצעות הפקודה התרמית, לאזן את נפח האספלט לערך הצפיפות הרצוי של המדידות הניסוייות על ידי בחינה רציפה של ערכי הטמפרטורה, הלחץ, הצפיפות והאנרגיה.
בדוק את ההתכנסות של אנרגיה פוטנציאלית בתזוזה הריבועית הממוצעת במערכת כולה להשגת המצב הרגוע לחלוטין. לאחר מכן, כדי לבצע את תהליך הריפוי העצמי, הגדר את כל תיבת הסימולציה מתחת להרכב האיזוברי האיזותרמי עם טמפרטורה של 300 קלווין ולחץ של אטמוספירה אחת. לאחר מכן, הסר את האילוץ של מולקולות האספלט על קווי המתאר של אזור הסדק.
עקוב ותעד את גודל תיבת הסימולציה בקואורדינטות של האטומים. לאחר מכן, השתמש בפקודת dump לעיבוד פוסט. לבסוף, ממוצע תוצאות הסימולציה במהלך תהליך הריפוי העצמי על פני 3 תצורות עצמאיות עם 3 זרעי מהירות ראשונית שונים כדי להפחית את השגיאות האקראיות.
להדמיה של התנהגויות הריפוי העצמי והתקדמות הסימולציה, פתחו את כלי ההדמיה הפתוח OVITO", ואז פתחו את קבצי המסלול בפורמט LAMMPS TRJ שנוצר על ידי LAMMPS. תעד את התמונות של תהליך הריפוי העצמי, ולאחר מכן, באמצעות פקודת הרינדור, עקוב אחר הנתיבים של מולקולות האספלט. לאחר מכן, כדי לנתח את קווי המתאר של מספר האטום, ייצא את הקואורדינטות של האטומים מקבצי המסלול לתוכנת ניתוח הנתונים והגרפים.
הקרין את הקואורדינטות של האטומים במערכת כולה על מישור YZ, ולאחר מכן רשם מספרי אטומים באזורים שונים של מישור YZ והתווה את קווי המתאר בצבעים שונים. לאחר מכן, נתח את ניידות האטום של רכיבי אספלט שונים על ידי חישוב התזוזה הממוצעת בריבוע באמצעות פקודת MSD החישוב. לאחר מכן, באמצעות הפקודה compute RDF ו-LAMMPS, חישבו את המיקומים היחסיים בין מולקולות הגרפין והאספלט על ידי גורם ההתפלגות הרדיאלית, או עקומות ה-RDF, עבור מערכות האספלט שהשתנו בגרפים עם רוחבי סדקים של 15 ו-35 אנגסטרום.
לבסוף, צייר את עקומות ה-RDF כדי לבדוק כיצד צפיפות האספלט משתנה כפונקציה של מרחק מיריעת הגרפין. עבור אספלט טהור, ריפוי עצמי מלא מתרחש לאחר 300 picoseconds. אזור הסדקים יורד בחדות ב-50, כמעט נעלם ב-200 פיקו-שניות.
החדרת הגרפין בצד שמאל של משטח הסדק יכולה להאיץ באופן משמעותי את תהליך הריפוי העצמי. תקופת הריפוי מתקצרת ל-200 פיקו-שניות, כאשר רוחב הסדקים יורד משמעותית ועומד על 20, וכמעט נעלם בסביבות 150 פיקו-שניות. התנהגויות הריפוי העצמי השתפרו באופן משמעותי כאשר יריעת הגרפין נמצאת במשטח הסדק השמאלי.
כאשר גרפין ממוקם על משטח הסדק השמאלי, הניידות של ארומטיים קוטביים, ארומטיות נאפתן וגרפין השתפרה משמעותית בהשוואה לזו של אספלט טהור. ערכי RDF בין גרפין במשטח הסדק השמאלי ברכיבי האספלט עבור מודל רוחב הסדק של 15 אנגסטרום מראים כי המולקולות הארומטיות והאספלט מתקרבות אל יריעת הגרפין, במיוחד המולקולות הארומטיות הקוטביות והמולקולות הארומטיות של נאפתן. כאשר מודל רוחב הסדק של 35 אנגסטרום RDF ערכים מעבר ל-4 אנגסטרומים ברורים יותר מאלו של מודל רוחב הסדק של 15 אנגסטרום מכיוון שלאספלטיט יש יותר מקום להתפזר ולנוע לכיוון הגרפין באזור הסדקים הגדול יותר.
חשוב מאוד להגדיר סדק סביר במודל האספלט תוך הקפדה על כך שסדק נשמר היטב והמערכת מאוזנת לחלוטין. ניתן לבצע מידול גרגרי עלות על סמך הליך זה כדי לאמץ טווח רחב יותר של סולם אורך, ובנוסף, את הריפוי העצמי של סדק באספלט בקני מידה שונים. טכניקה זו יכולה לנטר ולמטב את המבנה המולקולרי של חומרי מילוי ננו עם תכנון מיוחד, כגון פגמים, מבנה צילום וקבוצות פונקציונליות לשיפור מתקדם של ננו-חומרים מרוכבים מבוססי אספלט.
