مقاله نانو شیشه ها و افق های نوین در معماری

بخشی از مقاله

نانو شیشه ها و افق های نوین در معماری

چکیده

امروزه استفاده از نانو شیشه ها، امکانات جدیدی پیش روی طراحان ساختمان قرار داده و حتی در برخی موارد، منجر به تغییر رویه طراحی گردیده است. تلاشی جمعی در راستای بهبود خواص نانو شیشه ها در سطح جهان در جریان است و همزمان معماران بیشتری به استفاده از این مصالح روی می آورند و بناهای شاخص بیشتری با به کارگیری نانو شیشه ها ساخته می شوند. دانشمندان به دنبال تولید شیشه های ضد انعکاس مقرون به صرفه با الهام از »اثر چشم شب پره« می باشند. شیشه های ضد آفتاب، در انواع مختلف تولید می شوند و استفاده از آئروسیل، صنعت شیشه های ضد آتش را دگرگون ساخته است. همچنین فناوری شیشه های خود تمیز شونده، معماری پایدار را به افق های جدید رهنمون می سازد.
این پژوهش به روش کتابخانه ای انجام گرفته و در آن انواع نانو شیشه ها معرفی و مبانی علمی تولید آن ها تشریح گردیده است. چالش ها و فرصت های پیش روی نانو شیشه ها تبیین شده و مزایای هر یک از آن ها مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که استفاده از نانو شیشه های گوناگون، مزایای قابل توجهی شامل زیباتر شدن ساختمان ها، افزایش ایمنی در مواجهه با آتش، صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش کاربرد شوینده های شیمیایی را در پی دارد.

کلمات کلیدی: نانو فناوری، شیشه های ضد انعکاس، شیشه های ضد آفتاب، شیشه های خود تمیز شونده، شیشه های ضد آتش.

.1 مقدمه

آن چه یک طرح معماری را از ذهنیت به عینیت تبدیل می کند، مصالح ساختمانی اسـت و در سـال هـای اخیـر، اسـتفاده از مصـالح ساختمانی جدید که بر مبنای فناوری های نوین ساخته شده اند، معماران را در این مهم، یاری نموده است. یکی از ایـن فنـاوری هـا، نانو فناوری می باشد.اصولاً هر فعالیت پژوهشی که در مقیاسی زیر 100 نانومتر انجام شود، مصداق فناوری نانو خواهد بود (گلابچـی، تقی زاده و سروش نیا .(24:1391 استفاده از فناوری نانو در صنعت ساختمان، طی سال های اخیر و تحت تأثیر گـرایش بـه معمـاری پایدار، رو به گسترش بوده است. یکی از مصالحی که مطالعات گسترده ای برای ارتقاء سـطح کیفـی آن صـورت گرفتـه، نـانو شیشـه می باشد. شیشه همواره یکی از مصالح اصلی ساختمانی بوده که از نما تا داخل ساختمان، همـه جـا کـاربرد داشـته اسـت. طـی قـرن گذشته، استفاده از شیشه های ساختمانی رشد قابل توجهی داشته که تمرکز بر بهبود قابلیت های ایـن عنصـر سـاختمانی را ضـروری می نماید. در سال های اخیر، فناوری نانو به کمک صنعت شیشه آمده و تحولی شگرف در این حوزه ایجاد نموده است.

این مطالعه به بررسی کاربرد نانو شیشه ها در معماری و معرفی آخرین دستاوردهای فناوری نـانو در زمینـه شیشـه هـای سـاختمانی می پردازد و مزایا و چالش های به کارگیری نانو شیشه ها در ساختمان را مورد بررسـی قـرار مـی دهـد. اسـتفاده از فنـاوری نـانو در شیشه های ساختمانی در حوزه های مختلف از قبیل شیشه های ضد انعکاس ، شیشـه هـای ضـد آفتـاب، شیشـه هـای ضـد آتـش و شیشه های خود تمیزشونده تجلی پیدا می کند که در ادامه، هر یک از این موارد به تفکیک مورد بررسی قرار می گیرند.

1

.2 شیشه های ضد انعکاس

هنگامی که امواج نور خورشید به شیشه های یک ساختمان می رسند به سه قسمت منشعب می گردند، قسمت اصـلی نـور از شیشـه عبور می کند، بخشی از این امواج، جذب شیشه می شوند و بخشی هم از سطح شیشه منعکس می گردند. برای یک ساختار معـین از ماده، معمولاً مقدار جذب نور، ثابت است. بنابراین برای افزایش مقدار عبور نور، باید تـا حـد امکـان میـزان انعکـاس را کـاهش داد. در سال های گذشته، شرکت های سازنده شیشه سعی داشتند تا با روکش کردن شیشـه هـای معمـولی بـا لایـه هـای متعـدد، خاصـیت ضد انعکاسی آن ها را افزایش دهند. این روش های سنتی منجر به تولید شیشه های ضد انعکاس گران قیمت شده که علاوه بر بحـث هزینه، معایب دیگری نیز دارند؛ از جمله می توان به مشکلات فنی روکش کردن شیشه، ضعف در مقابل طیف نامرئی امواج نور و عـدم کارایی در جمع کننده های انرژی خورشیدی اشاره کرد (گلابچی، تقی زاده و سروش نیا .(136:1391

در سال های اخیر، دانشمندان با بررسی قرنیه چشم شب پره ها، متوجه ساختار جالبی شدند که انعکاس نور را کاهش می دهد. طـی مطالعات صورت گرفته، مشخص گردیده که سطح قرنیه چشم شب پره به طور کامل از برآمدگی هـای مخروطـی شـکل متجـانس بـا مقطعتقریباً شش ضلعی به ارتفاع تقریبی 200 نانومتر پوشیده شده است. در سال » 1967برنارد« به طور تجربی ثابت کـرد کـه ایـن ساختار به طور قابل توجهی بازتابش نور را کاهش و انتقال نور در طیف مرئی را افزایش می دهد .(Bernhard, 1967) این مسئله کـه تحت عنوان »اثر چشم شب پره1« شناخته می شود، به طور گسترده مورد توجه قرار گرفـت و الهـام بخـش تولیـد نسـل جدیـدی از نانو شیشه های ضد انعکاس گردید. روش های متعددی برای ساخت این شیشه ها پیشنهاد شده اند کـه برخـی از آن هـا عبارتنـد از: فتولیتوگرافی2 ، چاپ نانو3 و قلم زنی پلاسما. 4 تمامی این روش ها سعی دارند تا شفافیت دیـداری شیشـه را بـه بـیش از 98 درصـد افزایش دهند. از بین روش های اشاره شده، روش قلم زنی پلاسما به دلیل امکان تولید شیشه های ضـد انعکـاس ارزان تـر، از اقبـال بیشتری برخوردار بوده است. در تازه ترین تحقیقات، دانشمندان متوجه شده اند که با استفاده از گاز آرگون همراه با گازهای استاندارد قلم زنی با سیلیکون، می توان به نتایج مقرون به صرفه ای رسید .(Deshpande, 2013: 61) شکل شماره 1، تصاویر چشم شب پره و شکل شماره 2، روند شماتیک تولید شیشه های ضد انعکاس بر مبنای اثر چشم شب پره را نشان می دهد.

شکل .1 تصاویر چشم شب پره با بزرگنمایی های مختلف .(Deshpande, 2013: 9)

1 . Moth-eye effect 2 . Photolithography 3 . Nano-imprinting 4 . Plasma etching processes

2

شکل .2 روند شماتیک تولید شیشه های ضد انعکاس .(Ji, Park & Lim, 2012)

شیشه های ضد انعکاس اغلب به دلایل زیبایی شناختی مورد توجه قرار گرفته اند، هر چند که در برخی موارد مانند جمع کننده هـای انرژی خورشیدی، فواید کارکردی دیگری نیز دارند. طی سال های اخیر، استفاده از انرژی های تجدیـد پـذیر و پـاک از قبیـل انـرژی خورشیدی در ساختمان ها مورد توجه قرار گرفته است و با توجه به این که شیشه های ضد انعکـاس، نـور بیشـتری را از خـود عبـور می دهند، استفاده از آن ها در کلکتورهای انرژی خورشیدی موجب افزایش بهره وری این دستگاه ها شده است.

.3 شیشه های ضد آفتاب
نانو شیشه های ضد آفتاب اغلب برای کاهش جذب گرمای نامطلوب ناشی از پرتوهای نور در فصل گرم و یا به منظـور کـاهش دیـد و ایجاد فضای خصوصی به کار می روند. در تولید این نوع شیشه ها، اغلب از مواد کروموژنیک1 استفاده می کنند کـه رنـگ یـا شـفافیت آن ها بر اساس محرک های فیزیکی برگشت پذیر، تغییر می یابد. این شیشه ها بسـته بـه ایـن کـه نسـبت بـه کـدام عامـل فیزیکـی حساسیت نشان می دهند، تقسیم بندی می شوند که از جمله می توان به شیشه های فتوکرومیـک، ترموکرومیـک و الکتروکرومیـک2 اشاره نمود. این شیشه ها که جزء شیشه های هوشمند3 طبقه بندی می شوند، اغلب با نـام شیشـه هـای »خـود تیـره شـونده4« نیـز شناخته می شوند (گلابچی، تقی زاده و سروش نیا .(140:1391

شیشه های فتوکرومیک بیشتر در مقیاس های کوچک مانند شیشه های عینک ساخته شده اند؛ همچنین در برخورد با آفتاب تابستان و زمستان، چندان مطلوب عمل نمی کنند، به عبارت دیگر در زمستان به دلیل زاویه تابش نور خورشید، نور کمتری از خود عبور می دهند که طبعاً این امر قابل قبول نیست. یکی دیگر از مشکلات این نوع شیشه ها، عدم امکان کنترل دستی میزان تیرگی در آن ها می باشد (قیابکلو،.(58:1392 مجموعه این موارد، موجب شده است که استفاده از شیشه های فتوکرومیک در صنعت ساختمان از

اقبال چندانی برخوردار نباشد.
شیشه های ترموکرومیک، به مراتب بیش از شیشه های فتوکرومیک در ساختمان ها به کار می روند. شکل شماره 3 میزان کاهش نور مرئی را در عبور از پنجره های دارای شیشه های ترموکرومیک در جبهه های مختلف یـک سـاختمان در سـاعات مختلـف روز نشـان می دهد. در این شکل منحنی های آبی، قرمز و سبز به ترتیب میزان عبور نور مرئـی از شیشـه هـای جبهـه شـرقی، جنـوبی و غربـی ساختمان را نشان می دهند.

3

شکل .3 عملکرد شیشه ترموکرومیک در جبهه های مختلف ساختمان .(Prelco Tm, 2014: 2)

شکل شماره 4، عملکرد یک نوع شیشه ترموکرومیک در کاهش میزان عبور اشعه ماوراء بنفش، نور مرئـی و مـادون قرمـز (بـه ترتیـب رنگ های بنفش، سبز و قرمز) را نشان می دهد.

شکل .4 عملکرد یک نوع شیشه ترموکرومیک .(Prelco Tm, 2014: 1)

مهم ترین ضعف این نوع شیشه ها نیز عدم امکان کنترل دستی تیرگی می باشد. همچنین ممکن است که کل یا برخی از قسمت های این شیشه ها به اندازه کافی حرارت دریافت نکنند و در نتیجه فرایند تیرگی با نقصان روبرو گردد. شکل شماره 5، یک نمونه از عدم تیرگی یکنواخت یک پنجره با شیشه های ترموکرومیک را نشان می دهد .(lee et al., 2013 : 48)

4

شکل .5 عدم تیرگی یکنواخت یک پنجره با شیشه های ترموکرومیک

شیشه های هوشمندی که نسبت به الکتریسیته از خود واکنش نشان می دهند، در انواع مختلف موجود می باشند که از آن جمله می توان به شیشه های با ذرات معلق1، شیشه های کریستال مایع2 و شیشه های الکتروکرومیک اشاره کرد. هر کدام از این شیشه ها روش کار مخصوص به خود و نقاط قوت و ضعفدارندی. به عنوان مثال، شیشه های کریستال مایع فقط دو حالت کاملاً شفاف و کاملاً مات را ایجاد می کنند و امکان انتخاب میزان تیره شوندگی مختلف در آن ها وجود ندارد. همچنین شیشه های کریستال مایع و شیشه های ذرات معلق، نیازمند اعمال مداوم جریان الکتریکی برای باقی ماندن در حالت شفاف می باشند که از نظر میزان مصرف انرژی مطلوب نمی باشد .(Riberdy & Jacobi, 2009; Malins, 2014)

نانو شیشه های الکتروکرومیک به وسیله لایه های فوق نازک »تری اکسید تنگستن« یا »اکسید نیکل« پوشیده شده اند که این اکسیدها به تغییر ولتاژ، واکنش نشان می دهند و با لمس یک دکمه، بر تیرگی شیشه افزوده خواهد شد. در واقع الکتریسیته یک واکنش شیمیایی در این مواد ایجاد می کند که نحوه بازتابش و جذب نور توسط این مواد را تغییر می دهد (گلابچی، تقی زاده و سروش نیا .(140:1391 در مجموع استفاده از نانو شیشه های الکتروکرومیک از چشم انداز بهتری نسبت به سایر شیشه های خود تیره شونده، برخوردار است . (Riberdy & Jacobi, 2009; Malins, 2014)

نتایج یک مطالعه بر روی یکی از ساختمان های مرکز فدرال دنور در آمریکا که در سال 2013 میلادی منتشر گردید، نشان داد که در اثر استفاده از شیشه های الکتروکرومیک به جای شیشه های عادی، مصرف سالانه انرژی الکتریکی برای مجموعه فعالیت های »گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع3«، 22 درصد، میزان بار سرمایشی ماکزیمم، 45 درصد و میزان گاز مصرفی سالانه بویلر برای گرمایش ساختمان، 19 درصد کاهش یافته است .(lee et al, 2013 : 88)
به طور پایه، یک شیشه الکتروکرومیک به یک منبع مواد الکتروکرومیک و یک سیستم الکترود برای تغییر حالت آن ماده از مات به شفاف و بالعکس نیاز دارد. مانند اغلب شیشه های هوشمند، شیشه های الکتروکرومیک هم توسط ساندویچ کردن مواد خاصی بین دو جام شیشه ای، تولید می شوند. شکل شماره 6، یک نمونه پایه ای از شیشه های الکتروکرومیک را نشان می دهد که به ترتیب از لایه هایی شامل پانل شیشه ای، اکسید رسانا، لایه الکتروکرومیک مانند اکسید تنگستن، رسانای یون(الکترولیت )، منبع یون، لایه دوم اکسید رسانا و پانل شیشه ای دوم تشکیل شده است. در این سیستم، واکنش شیمیایی مورد نظر، اکسیداسیون است. یک منبع انرژی به دو لایه اکسید رسانا متصل می گردد و ولتاژ اعمالی منجر به هدایت یون ها از لایه منبع یونی به لایه الکتروکرومیک از طریق لایه رسانای یون می شود و این منجر به مات شدن شیشه می گردد.با اعمال جریان الکتریکی در جهت عکس، می توان مجدداً شیشه را شفاف نمود .(www.howstuffworks.com , Accessed December,1, 2014)