بخشی از مقاله
تاثیرات و نفوذ فن آوری نانو در حوزه مصالح و فرآ ورده های ساختمانی
چکیده :
یکی از افق های جدید و بحث بر انگیز در مباحث مربوط به معماری و تکنولوژی های نو، ورود فن آوری نانو در تهیه و ساخت مصالح و فرآورده های ساختمانی است. نانو در چند حوزه صنعت ساختمان و معماری ورود نموده است از جمله: فولاد، سیمان، بتن، شیشه، رنگ ها، کاشی و سرامیک و.. در این راستا بیشترین سهم با صنایع فولاد، شیشه و بتن میباشد. نانو های کربنی((Cnt و دی اکسید تیتانیوم((Tio2 هستند و عموما در سازه های اصلی باعث افزایش خواص مکانیکی میگردند، نانوها در مصالح اندودکاری نیز باعث کاهش جذب کثیفی و افزایش مقاومت در برابر اشعه های مضر شده و از سوی دیگر خود تمیزی شیشه ها، ضد باکتری بودن رنگ ها، همچنین کنترل انرژی و نور و... از تاثیرات مثبت این فن آوری نوین در صنعت ساختمان میباشد. از سوی دیگر تاثیرات مفید این تکنولوژی در سایر عرصه ها همانند معماری پایدار، پزشکی و.. مشهود و از مباحث مهم محافل علمی میباشد. به جهت اینکه روشن شدن افق های بسیار زیادی در خصوص با فن آوری نانو هنوز بعلت جدید بودن این علم نیازمند زمان بیشتری در آینده میباشد، لذا سعی گردیده مطالب بر اساس آخرین یافته ها و پژوهش های صورت گرفته در این زمینه ارائه گردد. از این رو در این مقاله سعی بر آن داشتیم با تعریف نانو و عملکرد و تاریخچه آن به معرفی و تشریح دقیقتر مواد و مصالح ساختمانی ساخته شده تا کنون به وسیله این تکنولوژی پرداخته به گونه ای که بتواند مخاطبین را بیش از پیش با تاثیر و کاربرد آنها در ابنیه و بنا های امروزی، آشنا سازد.
کلمات کلیدی: تکنولوژی، نانو، مصالح ساختمانی، انرژی، صنعت.
مقدمه :
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشتهای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گستردهای را پوشش میدهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاههای در ابعاد کمتر از یک میکرومتر،معمولاً حدود 1 تا 100 نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدیعمدتاً( متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک) از خود نشان میدهند. فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیدهای عظیم است که در تمامی گرایشات علمی راه یافته واز فناوریهای نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه میباشد. از ابتدای دهه 1980 میلادی گستره طراحی و ساخت ساختمانها هر روزه شاهد نوآوریهای جدیدی در زمینه مصالح کاراتر و پربازده ترمقاومت، شکل پذیری، دوام و توانایی بیشتر نسبت به مصالح سنتی است. لذا ضرورت شناخت تاثیر و نفوذ این تکنولوژی در مصالح و فرآورده های مربوطه بیش از پیش آشکار و مسئله این تحقیق قرار گرفته است. نانوفناوری یک دانش به شدت میانرشتهای است و به رشتههایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیستشناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط میشود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو، فناوری زیستی((Biotechnology و
فناوری اطلاعات (IT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل میدهند.[13] نانو تکنولوژی میتواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرحریزی دانش کنونی بر پایههایی جدیدتر و امروزی تر باشد. لذا در این مقاله سعی گردید با کاربرد روش
غیر میدانی و جمع آوری اطلاعات کتابخانه ای گامی موثر در ارتباط با شناساندن بیش از پیش نفوذ و تاثیر این تکنولوژی، بخصوص در مقوله مصالح و فرآورده های ساختمانی برداشته باشیم.
ایران در فناوری نانو مقام هفتم را در دنیا داراست.[4] در حدود 400 سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست. نانو ریشه یونانی "نانس" به معنی کوتوله میباشد.[12] فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیدهای عظیم میباشد که در تمامی گرایشات علمی راه یافته است تا جایی که در یک دهه آینده برتری فرایندهها، وابسته به این تحول خواهد بود.[13] فناوری نانو فرایند دستکاری مواد در مقیاس اتمی و تولید مواد و ابزار، به وسیله کنترل آنها در سطح اتمها و مولکولهاست. در واقع اگر همه مواد و سیستمها ساختار زیربنایی خود را در مقیاس نانو ترتیب دهند؛ آنگاه تمام واکنشها سریعتر و بهینهتر صورت میگیرد و توسعه پایدار پیش گرفته میشود.[12] از جمله دستاوردهای فراوان این فناوری کاربرد آن در تولید، انتقال، مصرف و ذخیرهسازی انرژی با کارایی بالاست که تحول شگرف را در این زمینه ایجاد میکند.[13] از اینرو دستاندرکاران و محققان علوم نانو در تلاش اند تا با استفاده از این فناوری به آسایش و رفاه بیشتر در درون و برون ساختمان با یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا و صرفهجویی در هزینهها بخصوص در مصرف منابع انرژی و در نهایت به توسعه پایدار دست یابند. فناوری نانو منجر به تغییرات شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد.
-1معرفی نانوتکنولوژی:
یک نانومتر (Nm) یک میلیاردیم متر است. برای سنجش طول پیوندهای کربن-کربن، یا فاصله میان دو اتم بازه 12 تا 15 نانومتر به کار میرود، همچنین قطر یک مولکول دی ان ای (DNA) دو رشته ای نزدیک به 2 نانومتراست. و از سوی دیگر کوچکترین باکتری 200 نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازه یک نانومتر نسبت به متر سنجشی انجام دهیم میتوانیم اندازه آن را مانند اندازه یک تیله به کره زمین بدانیم، یا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازه رشد ریش یک انسان در طول زمانی است که برای بلند کردن تیغ از صورتش باید بگذرد.[17] اندازه ذرات در نانوتکنولوژی بسیار مهم است، چرا که درمقیاس نانویی، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است وخواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم ها و مولکول ها با خواص توده ماده متفاوت است .این اندازه در مواد
مختلف متفاوت است. نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد یکی از مهم ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانویی است .در این مقیاس رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غالب می شود .در ابعاد نانویی قوانین فیزیک کوانتوم، امکان تغییر خواص ماده مانند دمای ذوب، خواص مغناطیسی و رنگ را ایجاد می کند .روش های ساخت مواد نانویی را می توان به دو روش کلی طبقه بندی کرد:
روش بالا به پایین: این روش عبارت است از کوچک کردن اندازه ساختارها از میکرومتر به نانومتر .در واقع این امکان وجود دارد که مواد را آن قدر تجزیه کنیم تا به حد نانومتری برسند. امروزه این عمل توسط شکست فیزیکی و شیمیایی انجام پذیر است.
روش پایین به بالا : این روش مبتنی بر در کنار هم قرار دادن توده های اتمی و مولکولی به صورت کنترل شده به منظور ساخت سیستم های بزرگ تر است.روش تولید پایین به بالا را فقط برای ساخت مواد در مقیاس نانومتری می توان استفاده کرد، اما روش های تولید بالا به پایین هم برای تولید مواد نانو و هم برای مواد میکرو کاربرد دارند.[14]
تصویر شماره (1) از جستارهای مهم پژوهشهای وابسته به فناوری نانو (C 60) است.
-2مراحل فن آوری نانو:
در مجموع این فناوری شامل سه مرحله میباشد:
مرحله اول: طراحی مهندسی ساختارها در سطح اتم.
مرحله دوم: ترکیب این ساختارها و تبدیل آنها به مواد جدید با ساختار نانو با خصوصیات ویژه. مرحله سوم: ترکیب اینگونه مواد و تبدیل آنها به ابزارهای سودمند.
انتظار میرود که نانو تکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلایندهها، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند.[2] محصولات نانو مواد را هم میتوان به صورتهای زیر بیان کرد: فیلمهای نانو لایه برای کاربردهای عمدتاً الکترونیکی، نانو پوششهای حفاظتی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی، نانو ذرات به عنوان پیشسازنده یا اصلاح ساز پدیدههای شیمیایی و فیزیکی.[13]
-3اصول بنیادی، فن آوری نانو و تاثیرات آن برتکنولوژی های جدید ساخت مواد و مصالح :
فناوری نانو در صنایع ساختمان هم نقش بسزایی دارد، در این راستا بیشترین سهم را صنایع فولاد، شیشه وبتن ایفا میکنند. کاربرد نانو ذرات در صنعت ساختمان که مهمترین آن ها نانولوله های کربنی((Cnt و دی اکسید تیتانیوم((Tio2 هستند، عموما در سازه های اصلی باعث افزایش خواص مکانیکی نمونه ها شده و در بخش نازک کاری نیز کاربرد نانو پوشش ها در نمای داخلی وخارجی ساختمان ها نیز از اهمیت ویژه ای برخورداراست. نانو پوشش های ساختمان ضمن اینکه باعث دفع آب شده وجذب کثیفی را به حداقل می رسانند، نمای ساختمان را در مقابل اشعه Uv مقاوم می سازند. این نانو پوشش ها در سطوحی از جمله؛ سیمان، آجر، سفال،سنگ معمولی، کاشی ، مرمر، چوب، سرامیک، شیشه، فولاد وبتن به کار می روند. ساخت بتن تقویت شده، خود تعمیر کننده و خود تمیز شونده، شیشه های خود تمیز شونده، مقاوم در برابر آتش وکنترل کننده انرژی ودر نتیجه صرفه جویی درمصرف انرژی، استفاده از رنگ های حاصل ازعلم نانوکه باعث عدم نفوذ باکتری ها به ساختمان های اداری، مسکونی، بیمارستان هاوغیره شده وبه آنهاعمری طولانی، محیطی عاری از باکتری و ماهیتی غیر قابل کثیف شدن وفرسودگی می بخشند نیز از دیگر کاربردهای مهم فناوری نانو در صنعت ساختمان است. بدین ترتیب به راحتی می توان تشخیص داد که ما با دنیای تازه ای به نام فناوری نانو روبروهستیم. متخصصان علم نانو براین باورند که بعد از تولید ماشین های بخار، موتور وتوسعه IT ، فناوری این علم افق های تازه ای رابه دنیای انسان ها بازخواهد کرد.
فناوری نانو، قادراست مواد را تا اندازه ای کوچک کند که با دوباره سازی آن ها بتوان مواد وفنآوری های جدیدی را به دنیا عرضه نمود.[5] برای مثال، گل رس وسرامیک را می توان به ابعاد نانو درآورده وبه صورت پودر با نانو پلیمرها مخلوط کرده ودر محیطی خنثی مصالحی سخت ومقاوم را که نمونه آن تا به حال دیده نشده بوجود آورد.[11]
تصویر شماره ( (2 عرصه های کاربرد اثر فتوکاتالیز تیتانیوم ها طی سالیان اخیر.[15]
در دنباله معماری ارگانیک فرانک لوید رایت که در آن هدف خلق ساختارهایی در سازگاری با طبیعت بود، امروزه این مسأله در قالب معماری پایدار و افق جدید آن یعنی نانو تکنولوژی مطرح و مورد بحث و بررسی قرار میگیرد.از آنجا که با استفاده از دستاوردهای فناوری نانو یک ساختمان در زمانها و مکانهای مختلف میتواند رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهد، سخت و غیرقابل انعطاف و یا نرم و سیال- تئوریهای شناخت مواد به طور کلی دگرگون میشوند. در واقع مصالح، هویت ثابت خود را از دست میدهند و دیگر معماری در زمان و مکان محدود نخواهد شد. مدرک بی واسطه و مستدل برخورد مستقیم فناوری نانو با معماری، مصالح (تولیدات
فیزیکی) هستند که عموماً کاربریهای گوناگونی به ساختمانها میبخشند. چنین مصالحی امکانات تازهای را برای تکمیل و بهبود شئی معماری و اندیشیدن درباره شکل جدیدی از زندگی، بوجود میآورند.[2]
از سوی دیگر نیز در سالیان اخیر با مطرح شدن معماری سبز (Green Architecture) یا معماری پایدار که از گرایشها و رویکردهای نوین معماری است ، در سالهای اخیر مورد توجه عده زیادی از طراحان و معماران معاصر جهان قرار گرفته است. این معماری که برخاسته از مفاهیم توسعه پایدار می باشد در پی سازگاری و هماهنگی با محیط زیست یکی از نیازهای اساسی بشر در جهان کنونی است. در هدف از ایجاد ساختمان های سبز که بهبود یافتن آب و هوا و جلوگیری از اثرات منفی ساخت و ساز بر محیط زیست و اثرات مخرب آن استفاده از انرژی های طبیعی در مصرف روزمره، ثبات وضعیت محیط داخلی، به کارگیری شیوه های مناسب برای کاهش انرژی تلف شده و یا کنترل آن و بهینه سازی مصرف انرژی، استفاده از مصالح قابل بازیافت غیر شیمیایی و مصالحی که سلامت انسان را به خطر نمیاندازد و سایر موارد مطرح شده در این زمینه ،میتوان با بکارگیری و وارد نمودن فن آوری نانو در بسیاری از موارد عنوان شده فوق که مورد هدف گذاری معماری سبز میباشد، میتوان کمک شایانی در این زمینه نماید. به گزارش خبرگزاری کتاب ایران (ایبنا)، در بیست و پنجمین نمایشگاه بینالمللی کتاب تهران، درنشستی پرفسور محمود گلابچی نویسنده کتاب »نانوفناوری در معماری و مهندسی ساختمان« در پاسخ به این سوال که پیشبینی شما از آینده چیست و آیا میتوان به کمک فناوری نانو به معماری فراتر از امروز دست یافت؟ این استاد دانشگاه تهران گفت: تصورم بر این است که نانوفناوری میتواند به عنوان ابزاری قدرتمند در اختیار مهندسان و معماران قرار بگیرد و این وابسته به اندیشه معماران ما است که بتوانند از این ابزار بهره بگیرند و به معماری بهتری دست یابند.[3]
-4معرفی برخی مصالح ساخته شده با نانوتکنولوژی:
-1-4 نانو تکنولوژی در بتن:
علم نانو و مهندسی نانو که گاهی با عبارت بهسازی نانویی در بتن بیان میشوند، عناوینی هستند که برای توصیف دو مسیر در تحقیقات نانو تکنولوژی در بتن استفاده میشوند. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمیگردد. از حدود 80
سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت گستردهای در بتنهای پایه سیمانی مورد استفاده قرار گرفته است. ثابت شده است که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن گردیده است. علم نانو مربوط است به اندازهگیری و توصیف ساختار مواد پایه سیمانی در مقیاس نانو و میکرو برای درک بهتر رفتار در مقیاس بزرگ (ماکرو) و عملکرد آن از طریق استفاده از تکنیکهای پیشرفته توصیف و مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا ملکولی. نانو مهندسی شامل تکنیکهای دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیتهای سیمانی با رفتار مکانیکی ایدهآل است و حتی میتوان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالا و.. به وجود آورد. فعالیتهای تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوششهای سیمانی و مشاهده تاثیرات آنها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است.[7] تحقیقات بسیاری در زمینه بکارگیری فناوری نانو در ساختمان بتن در حال انجام است به منظور درک این مطلب در سطح علم پایه از فناوریهایی مانند: میکروسکپهای AFM, SEM, FIB که برای مطالعه در مقیاس نانو ساخته شدهاند استفاده میشود.[16] درخت های بزرگ اطراف ساختمان ها با به جا گذاشتن آثار خود برروی سطوح ساختمان ها باعث می شوند نمای ساختمان ها به مرور زمان رنگ سبز درختان رابه خود گرفته وبرای تمیز کردن آن ها می بایست ازابزارتمیزکننده بافشارهای قوی استفاده شود، اما این عمل نیز باعث می شود پس از چند ماه درسطح ساختمان چسبندگی بیشتری ایجاد شود و سریع تر وراحت تراز قبل کثیفی ها رابه خود جذب کنند دراین گونه موارد نیز استفاده از نانو پوشش های سنگ وچوب و یا آجرهای نانویی ضروری به نظر می رسد. این نانو پوشش های آنتی باکتریال، مقاوم در برابر آب، هوا، مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی هستند و یکی از پوشش های اصلی صنعت ساختمان به شمار می روند. نانو پوشش های سنگ وچوب ترکیباتی هستند که ضمن حفظ ظاهر اصلی سطح باعث عدم ایجاد چسبندگی در سطح شده و آب، چربی وسایرو آلودگی ها را از سطح دفع می کنند. ضمنا نانو پوشش های سنگ وچوب برای سطوح سنگی نفوذ پذیرکه خاصیت مکندگی دارند نیز موارد استفاده بسیاری دارند. ترکیبات این نانو پوشش ها معمولا” شامل الماس، نقره، شیشه و سرامیک می باشند و باتوجه به موارد مصرف ممکن است متفاوت باشند، اما در اکثرآن ها فاز حامل آب والکل است وذرات آنها تا 300درجه سانتیگراد مقاوم هستند.
تصویر شماره (3) بلوکهای آجر و سفالهای نانویی که دارای خاصیت ضد رسوب و نفوذ ناپذیر در برابر رطوبت میباشند.
-2-4فولاد:
فولاد یکی از فلزات بسیار مهم در صنعت ساخت وساز است. تحقیقات نشان داده است اضافه نمودن نانو ذرات مس به فولاد از ناهمواری های سطحی فولاد می کاهد و درنتیجه تعداد عوامل افزایش دهنده تنش ودر نهایت ترک خوردگی های ناشی از خستگی سازه هایی مانند پل ها و برج ها، که در آنها بارگذاری به طور متناوب انجام می گیرد رامحدود می سازد.
-3-4 نانوفوتونیک:
نانو فوتونیک به معنی مطالعه پخش نور وتشخیص نور((Light emitting and Light sensing در مقیاس نانواست. کنترل حرکت الکترونها به وسیله کریستالهای نیمه هادی، راه رابرای فناوری های جدیدی باز کرده و درسایه این فناوریها، زندگی برای نسلهای آینده بسیارراحت خواهد شد. تاکنون ابزار الکترونیکی بسیاری ازقبیل؛ کامپیوتر،CD player و.. وارد زندگی ما شده است. اما تاثیر الکترونها بریکدیگر و سرعت پایین آنها، دانشمندان را به طرف آرایشهای جدید اتمی کشانده است در سال 1987 ساختار پریودیک فوتونیک نشان داده که نور صاحب باند ممنوعه است، کنترل حرکت نور یک انقﻻب در دنیای الکترونیک به شمار میرود. فوتونها
(کوانتومهای نور) هم به همدیگر بی تاثیر وهم نسبت به الکترونها زارانه برابر سرعت را دارا هستند، به همین دلیل، مدارهای کاملاً"
اپتیک، نسبت به مدارهای الکترونیکی بسیار سریعتر کارمی کنند ودر آینده نزدیک قرن الکترونیک جای خود را به قرن فوتونیک خواهد داد. کریستالهای فوتونیک، ازآرایش ابزار دی الکتریک ویا متالیک، به طورمتناوب به صورتهای یک، دو ویا سه بعدی تنظیم وبه دست میآیند. ساختارهای نانوفوتونیک با توانائی کنترل حرکت نور و تغییر مشخصهها، راه را برای علوم وفناوریهای بسیاری بازکرده است. مدارهای کاملاً" اپتیک در خطوط ارتباطی آینده نقش بسیار مهمی را بازی خواهند کرد. طاووس تمام جذابیت خود را مدیون کریستالهای نانو فوتونیک موجود در پرهای خود است.
