Мир нанотехнологий в строительном материаловедении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мир нанотехнологий в строительном материаловедение

План

Введение

1. Истории развития наноотрасли

2. Практическое использование нанотехнологий в строительном материаловедении

3. Перспективы развития нанотехнологий в строительном материаловедении

Заключение

Введение

Строительный сектор в условиях рыночной экономики активно развивается. Различные инновационные материалы находят своё применение и уже сегодня участвуют в формирование архитектуры будущего. Особый интерес вызывает использование нанотехнологий в строительном материаловедении.

Необходимо конкретизировать понятие нанотехнологий, которое по-разному трактуется многими авторами. Так, одни обычное продолжительное механическое измельчение исходного сырья рассматривают как способ получения наноструктур. Однако электронно-микроскопическое исследование продуктов помола показывает, что механическое измельчение имеет границы, при переходе которых частицы измельчаемого вещества слипаются, сталкиваясь друг с другом, что приводит к динамическому равновесию размол <=> агрегация с характерным микронным (субмикронным) размером частиц. С учетом этого получение наноразмерных частиц предполагает реализацию других способов, которые можно разделить на 4 группы:

- химические реакции в растворе или газовой фазе;

- конденсация в газовой фазе путем первоначального испарения;

-твердотельные химические реакции или имплантация ионов;

-нуклеация из растворов и расплавов или золь-гель-превращения (коллоидные кластеры).

При этом, как отмечают многие авторы, любую химическую реакцию нельзя рассматривать как нанотехнологию.

Принципиальным отличительным признаком нанообъекта (один из размеров которого не превышает 100 нм) является зависимость хотя бы одного его физического, химического или любого другого свойства от наноразмера.

1. История развития наноотрасли

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».

И даже если не брать во внимание литературные предсказания, то можно проследить, что человек давно уже использовал в своей жизни то, что теперь называют нанообъектами или нанотехнологиями. Один из наиболее ярких примеров -- это разноцветные стекла.

Предпосылкой к развитию наноотрасли послужило 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.

Кто же первым занялся наноматериалами в их современном понимании? В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые сформулировал концепцию создания наноматериалов и развил ее в серии работ 1981-1986 гг., ввел термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» материалы. Главный акцент в этих работах был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для изменения свойств твердых тел.

Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии 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.

В 2003 г. правительство Великобритании обратилось к учёным с просьбой высказать свое мнение о необходимости развития нанотехнологий, оценить преимущества и проблемы, которые может вызвать их развитие. Такой доклад под названием 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

2. Практическое использование нанотехнологий в строительном материаловедении

Нанонаука и нанотехнология в настоящее время -- наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. С помощью них ученые-материаловеды создают цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие другие материалы с уникальными свойствами

На сегодняшний день существует ряд нанотехнологий и наноматериалов, пригодных для использования в строительстве и ЖКХ. Далее подробнее отметим некоторые из таковых.

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.

Одним из перспективных направлений является использование наноуглеродных структур (углеродных нанотрубок и фуллеренов) для осуществления направленного структурообразования строительных композитов. Их можно использовать не только как центры кристаллизации, но и как объекты, изменяющие направление и регулирующие скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах.

Очевидно, что наибольший эффект от введения таких модификаторов можно ожидать при их однородном распределении в структуре композита, которое достигается только при совмещении наноуглеродных структур с жидкой фазой композита. Для материалов гидратного твердения это вода, являющаяся равноправным компонентом, свойства которого во многом определяют качество композитов.

Уже получены и используются конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла.

3. Перспективы развития нанотехнологий в строительном материаловедении

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 трудо-дней 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.

Активно развивающаяся отрасль даёт надежды на скорое появление изобретений, кажущихся на сегодняшний день фантастическими. Например:

основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния, ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца, реагирующие на психофизическое состояние людей фотокаталитические и другие функциональные покрытия -- все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения. нанотехнологии строительный композит

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома». Основной особенностью «пассивного дома» (экодома, англ. passive house) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов -- внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.

Заключение

Несмотря на то, что новые нанотехнологии и полученные на их основе материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала -- менее 1% в общем объеме производства материалов строительного сектора. Это связано с тем, что в настоящее время возможности ученых-материаловедов по использованию нанотехнологий ограничены - очень дорогостоящая и наукоемкая область исследований. Однако современные тенденции производства строительных материалов и модифицирования традиционных композитов в экономически развитых странах показывают, что перспективы отрасли связаны именно с достижениями в области нанотехнологий.

Размещено на Allbest.ru