Нанотехнологии в строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в практику на ближайшие 10-20 лет станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. Нанотехнологии - предвестники новой научно-технической революции. Они обещают кардинально изменить к лучшему жизнь человечества и уже сейчас позволяет коренным образом совершенствовать процессы во многих отраслях экономики

Приставка «нано» показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т.е. поделена на единицу с девятью нулями - 1 000 000 000. Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент. Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = 12,75 Ч 10⁶ м ? 10⁷ м) в 100 миллионов (10⁸) раз, то получим примерно 10-¹ м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча - 22 см, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 Ч 10-¹ м ? 10-¹ м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (10⁸) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм.

1. История развития наноотрасли

Примечательно, что приставка «нано» использовалась в научной литературе довольно давно, но для обозначения далеко не нанообъектов. В частности для объектов, размер которых в миллиарды раз превышает 1 нм - в терминологии динозавров. Нанотиранозаврами (nanotyrranus) и нанозаврами (nanosaurus) называются карликовые динозавры, размеры которых составляют соответственно 5 и 1,3 м.

Очень часто считается, что начало нанотехнологической эре положил в 1959 г. Ричард Фейнман в лекции «There's Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу - много места»). Фейнман говорил, что с помощью определенных устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до атомного уровня, т.е. при наличии соответствующих технологий можно манипулировать отдельными атомами.

Справедливости ради, однако, следует отметить, что Фейнман не первый это придумал. В частности, идея создания последовательно уменьшающихся в размере манипуляторов была высказана еще в 1931 г. писателем Борисом Житковым в его фантастическом рассказе «Микроруки». Не можем удержаться и не привести небольшие цитаты из этого рассказа, чтобы дать читателю самому по достоинству оценить прозрение писателя:

«Я долго ломал голову и вот к чему пришел: я сделаю маленькие руки, точную копию моих - пусть они будут хоть в двадцать, тридцать раз меньше, но на них будут гибкие пальцы, как мои, они будут сжиматься в кулак, разгибаться, становиться в те же положения, что и мои живые руки. И я их сделал…

Но мне вдруг ударила в голову мысль: а ведь я могу сделать микроруки к моим маленьким рукам. Я могу для них сделать такие же перчатки, как я сделал для своих живых рук, такой же системой соединить их с ручками в десять раз меньше моих микрорук, и тогда… у меня будут настоящие микроруки, уже в двести раз они будут мельчить мои движения. Этими руками я ворвусь в такую мелкоту жизни, которую только видели, но где еще никто не распоряжался своими руками. И я взялся за работу…

Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах - кажется, что уж нет никаких размеров, до того всё невообразимо мелко».

Но дело не только в литературных предсказаниях. То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями, если угодно, человек давно использовал в своей жизни. Один из наиболее ярких примеров - это разноцветные стекла.

Не случайно одной из начальных вех появления нанотехнологий считается изобретение М. Кноллем и Э. Руска в 1931 г. электронного микроскопа. Только после этого человечество смогло «видеть» объекты субмикронных и нанометровых размеров.

Следующий шаг был сделан в 1981 г. - Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. То есть была создана технология, о которой говорил в своей лекции Р. Фейнман. Вот именно тогда и наступила эра нанотехнологий.

Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии⁴ и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х - начале 90-х годов ХХ века наноструктур углерода - фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в XXI веке способа получения графена.

Но вернемся к определениям.

В 2003 г. правительство Великобритании обратилось в Royal Society⁶ и Royal Academy of Engineering⁷ с просьбой высказать свое мнение о необходимости развития нанотехнологий, оценить преимущества и проблемы, которые может вызвать их развитие. Такой доклад под названием «Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties» появился в июле 2004 г., и в нем, насколько нам известно, впервые были даны отдельно определения нанонауки и нанотехнологий:

Нанонаука - это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.

Нанотехнологии - это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне

Позднее были даны определения нанообъекта и наноматериала:

Нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1-100 нанометров хотя бы по одному измерению.

Наноматериалами называются материалы, структурными единицами которых являются нанообъекты (наночастицы).

2. Практическое использование нанотехнологий в строительном материаловедении

Нанонаука (НН) и нанотехнология (НТ) в настоящее время - наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. На основании теоретических предпосылок НН сейчас в мире инструментами НТ производят цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие другие материалы с уникальными свойствами

Среди нанотехнологий и наноматериалов, пригодных для использования в строительстве и ЖКХ, можно отметить следующие.

Наноструктурированные металлы с повышенной прочностью и твердостью. Объем производства и продаж поворотных резцов с наноструктурированными твердосплавными наконечниками для фрезерования асфальтобетонов (разработчик ИЦ РИА «Передовые технологии») за последние годы достиг 90 млн. руб. только по России и СНГ.

Применение взамен обычных ламп накаливания желтых и синих светодиодов, имеющих время наработки на отказ десятки тысяч часов, уменьшает энергопотребление в 5-7 раз. При переходе на такие источники освещения за год экономится столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы не строить новые электростанции в течение 30 лет.

Покрытия из наноструктурированных материалов, обладающие способностью к самоочищению под действием солнечного излучения, что открывает перспективы производства самоочищающихся строительных материалов.

Высокопрочные высокопроводные Cu-Nb провода с уникальным сочетанием свойств: прочностью от 800-900 МПа при электропроводности 80-85% IACS до 1100-1500 МПа при 55-75% IACS (IACS - Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 мкОм-см).

Нанокомпозиты твердых веществ с повышенной способностью аккумулирования водорода и высокой проводимостью ионов, что важно для миниатюризации батарей, источников электропитания и развития водородной энергетики.

Фильтры из нановолокон и нанотрубок, с высокой эффективностью очищающие воду от бактериофагов (вирусов). Жидкости, содержащие наночастицы металлов и обладающие намного большей теплопроводностью, что позволяет их использовать в качестве теплоносителей в системах охлаждения

Использование в технологии приготовления строительных материалов на основе портландцемента различных добавок на основе нанокомпозитов, активно влияющих на формирование структуры и свойств цементной матрицы в процессе гидратации и твердения цемента.

Яковлев Григорий Иванович - доктор технических наук, профессор разработал способы модификации пенобетона. Добавив в обычный пенобетон всего одну тысячную процента наноматериала, он получил материал нового поколения, который обладает значительно большей прочностью и долговечностью, хотя внешне ничем не отличается от пенобетона, полученного обычным способом.

Результаты исследований микроструктуры пенобетона показывают, что введение углеродных нанотрубок стабилизирует его структуру и устраняет перфорацию стенок пор. Стабилизация структуры пенобетона происходит за счет армирующего эффекта при добавлении фибриллярных структур и упрочнения вследствие формирования надмолекулярных структур в цементных стенках пор. Распределяясь в объеме цементного пенобетона, нанотрубки играют роль центров направленной кристаллизации, что приводит, с одной стороны, к появлению фибриллярной структуры в стенках пор, обеспечивая ее непрерывность и сплошность, а с другой - к появлению упрочняющей структурно-ориентированной надмолекулярной оболочки вокруг нанотрубки. При этом достигается повышение прочности пенобетона и снижение теплопроводности изделий из пенобетона. Таким образом, использование наноматериалов ведет к эффективному решению многих проблем. В данном случае не только повышает качество строительных материалов, но и дает экономическую независимость от производителей цемента, диктующих цены.

3. Перспективы развития нанотехнологий в строительном материаловедении

Строительная индустрия, представляющая гигантское поле деятельности с точки зрения применения нанотехнологий, весьма раздроблена: 97% строительных фирм в Европе насчитывает персонал не более 20 человек. Именно этот фактор ограничивает финансирование направленной научно-исследовательской работы, которая концентрируется на решении конкретных задач из области создания тех или иных конструкций или конструкционных материалов. На сегодняшний день развитие строительного материаловедения определяется во многом успехами в исследованиях смежных дисциплин (например, автомобиле- и авиастроение).

Небольшими размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм - сравнительно медленное внедрение новых материалов, связанное с неспособностью к крупным инновационным капиталовложениям. Однако даже небольшие изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и технологий оборачиваются чрезвычайно большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий.

Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше - на 10-15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети.

А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять самомониторинг - нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудодней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью.

Заключение

наноотехнология материаловедение строительный самомониторинг

Подводя итог, можно сказать, что новейшие строительные технологии и материалы могут предложить существенные преимущества в строительной промышленности для многочисленных проектов. Причем речь идет не только об укреплении материалов и повышении уровня их качества, но и, например, самоочищающихся окнах, которые будут весьма кстати для высотных зданий и небоскребов. Сейчас основная ставка делается на прочные строительные материалы, которые будут безопасны для здоровья человека и окружающей среды.

Как говорят многие известные ученые, применение нанотехнологий позволит совершить целую революцию в промышленном и гражданском строительстве. С их помощью можно не только значительно улучшить качество и свойства различных материалов, но и создавать совершенно новые, невиданные ранее по своим характеристикам и способам применения вещества. Начиная от усиления арматуры, стали и бетона и заканчивая антисептическими свойствами. Уже в скором будущем мы сможем делать строительные материалы, которые не будут подвластны огню и воде, то есть с повышенным коэффициентом защиты от внешних воздействий. И это далеко не все. С помощью нанотехнологий можно значительно увеличить эффективность солнечных батарей, создать стекло, неподвластное воздействию пыли и грязи, краску, которая будет самостоятельно восстанавливать свое покрытие при повреждении, препятствовать коррозии. И даже стены, которые будут сами восстанавливать трещины - все это возможно.

Многолетняя работа ученных в области нанотехнологии в строительстве уже принесла плоды. Были созданы наноматериалы которые намного улучшили качество строительных работ: высокопрочный бетон, высокопрочная сталь, конструкционные композиты, нанопокрытия, инновационная пленка, нанокомпозитные трубы, стеклопластиковая композитная арматура. И это еще не весь список.

Размещено на Allbest.ru