بخشی از مقاله
نقش نانوتکنولوﮊی در بهینه سازی مصرف انرﮊی در ساختمان
(فناوری نانو در صنعت ساختمان)
چکیده
امروزه از فناوری های مختلف به منظور ایجاد آسایش و امنیت بیشتر و صـرفه جـویی در هزینـه هـا بخصوص در مصرف منابع انرﮊی بهره های فراوان برده می شود . نانوتکنولوﮊی٣ یکـی از فنـاوری هـای جدیدی است که آینده بسیار روشنی برای آن پیش بینی می شود و گستردگی دامنه تاثیر این فناوری آنقدر بوده که گفته می شود این فناوری می تواند بیشتر جنبه های زندگی آینده بـشر را تحـت تـاثیر قرار دهد و از این جهت بکارگیری شیوه برخوردی مناسب با این پدیده و داشتن شناخت کافی از زمینه های مختلف کاربردهای آن بسیار مهم است . در این فناوری با تولید ساختارهایی در مقیـاس نـانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد از جمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مـواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می آید . نانوتکنولوﮊی نوید بخش پیشرفت های چشمگیری در زمینه های مختلف علمی شده است . این علم بـا کنتـرل مـواد در مقیـاس مولکـولی، گـشایش اسـرار طبیعت در تمام عرصه ها از مهندسی تا پزشکی را نوید می دهد . بسیاری از خواص یک ماده از قبیـل رنگ ، استحکام و شکنندگی قابل کنترل می گردد . امکان تهیه مصالح مناسب و با ویژگیهای مورد نظر در بخشهای مختلف ساختمان و تاسیسات و تجهیزات سرمایی و گرمایی وابسته به آن با توجه به نیازها
1 ‐ Nanotechnology نانوتکنولوﮊی پیوند علم مواد ، شیمی و علوم مهندسی است که در آن دستکاری اتم ها به منظوررسیدن به ساختار دلخواه و ایده آل مورد نیاز انجام می گیرد. مقیاس نانومتریک معادل یک میلیاردم متر می باشد و پهنای هرنانومتر معادل ۳ تا ۴ اتم است.و خواسته های ما ، برای کاهش مصرف انرﮊی بصورت مستقیم و غیـر مـستقیم نقـش بـسزائی خواهـدداشت.
واﮊه های کلیدی:
نانوتکنولوﮊی _ فناوری های نو ‐ ساختمانهای آینده _ مصالح نوین _ آینده نگری _ مصرف انرﮊی
مقدمه
" انرﮊی ارزان قیمت با پیشرفت اقتصادی همراه است . توانایی یک ملت برای گسترش منابع جدیـد انرﮊی تحت اختیار خویش ، می تواند وابستگی به منابع انرﮊی بین المللـی و ذخـایر نفتـی محـدود را کاهش دهد . توانایی های جدید و بهبود بازده تبـدیل، ذخیـره، انتقـال و نگهـداری انـرﮊی نیـز بـرای دستیابی و تامین انرﮊی پاکیزه، فراوان و مطمئن جهت نیازهای داخلی، حیاتی خواهد بود." جهان امروز بر خلاف دنیای دیروز که تمام توجه اش به صنایعی چون نفت و انرﮊی بود ، بـه سـمت فن آوری اطلاعات، مواد جدید، بیوتکنولوﮊی، نانوتکنولوﮊی و الکترونیک گرایش پیـدا کـرده اسـت. بـا توجه به اینکه عمر صنایعی چون نفت روزی به پایان می رسد سرمایه گذاری در بخش علم و فنـاوری توجیه قانع کننده ای پیدا می کند.امروزه نانوتکنولوﮊی و درک قابلیت های عظیم این فنـاوری متحـول کننـده، موجـب سـازماندهی و تدوین برنامه های ملی فراوانی در بسیاری از کشورهای جهان شده است . تدوین این برنامه ها عمـدتاﹲ به منظور بهره گیری هر چه بیشتر از قابلیـت هـای نـانوتکنولوﮊی و عقـب نمانـدن کـشورها از مـسیر تحولات سریع و دستاوردهای رو به رشد این فناوری صورت پذیرفته است.نانوتکنولوﮊی نوید بخش پیشرفت های چشمگیری در زمینه های مختلف علمـی شـده اسـت. ایـن علم با کنترل مواد در مقیاس مولکولی، گشایش اسرار طبیعت در تمام عرصه ها از مهندسی تا پزشکی را نوید می دهد . نانو تکنولوﮊی در جهانی بسیار کوچک کنترل می شود و هدف آن ساخت اشیاﺀ اتـم به اتم ، مولکول به مولکول و با یک رویکرد از پایین به بالاست ، راهی که طبیعت میلیونها سال اسـت انجام می دهد . بسیاری از خواص یک ماده از قبیل رنگ ، استحکام و شـکنندگی قابـل کنتـرل مـی گردد . امکان تهیه مصالح مناسب و با ویژگیهای مورد نظر در بخشهای مختلف سـاختمان و تاسیـسات و تجهیزات سرمایی و گرمایی وابسته به آن با توجه به نیازها و خواسته های مـا در جلـوگیری از هـدر رفتن انرﮊی و کاهش مصرف انرﮊی (بصورت مستقیم و غیر مستقیم) نقش بسزائی خواهد داشت.در بخش مواد و مصالح ساختمانی و تاسیسات ساختمانی می توان به عمر زیاد، ضربه پـذیری زیـاد، ، شکنندگی کم، تغییر شکل های ناچیز، اشاره نمود. بطور مثال می تـوان نمونـه هـایی از کاربردهـای فناوری نانو را اشاره نمود : ساخت مصالح بسیار مقاوم در برابر نشت که می تواند در ساخت تاسیـسات مورد نیاز ساختمانی بکار گرفته شود ، بهبـود عملکـرد لولـه هـای انتقـال آب ، بـالا بـردن رانـدمان الکتریکی و مکانیکی تاسیسات ساختمانها ، مقاوم سازی مصالح ، عدم نیـاز بـه عایقکـاری جداگانـه دراینگونه مصالح و پاسخگویی به شرایط مختلف اقلیمی کشور ، شیشه های خود تمیز شونده ( که حتـی مشکل تمیز کاری پنجره ها بخصوص در ساختمانهای بلند را از میان بر می دارد) با کمک فناوری نانو حاصل شده است و برای ساختمانها می تواند علاوه برجلوگیری از اتلاف انرﮊی در بخـشهای مختلـف و استفاده بهینه انرﮊی در ساختمان ، به حفظ و نگهداری ساختمان برای مدت طولانی و مقاوم سـازی آن حتی برای حوادث غیر مترقبه (با صرفه اقتصادی) دست یافت .
آشنائی با فناوری نانوتکنولوﮊی
نانوتکنولوﮊی مطالعه ذرات مواد در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست. هدف اصـلی اکثـر تحقیقـات نانوتکنولوﮊی شکلدهی ترکیبات جدید یـا ایجـاد تغییراتـی در مـواد موجـود اسـت. نـانوتکنولوﮊی در الکترونیک، زیستشناسی، ﮊنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرﮊی بکار برده میشودلثلسلکلم های یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقـدار یـک میلیـاردیم یـا ٩‐ ١٠ یـک کمیت استفاده میشودفلچون یک اتم تقریباﹰ١٠ نانومتر است، این اصـلاح بـرای مطالعـه عمـومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکاربرده میشودل علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تکنولوﮊی) توانائی بدست گرفتن کنترل مـاده در ابعـاد نـانومتری (ملکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو بـا طبیعـت فـرا رشـته ای خود، در آینده در برگیرنده همه ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت بـا فـن آوری هـای موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت » یـک حـرف از علـم« یکپارچـه خواهـد کرد.میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملکولی ) – مثـل یک درخت یا یک میکروب – ساخته می شود. علم بشری لینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصـه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو کاربردهـای را بـه منصه ظهور می رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجـا مـی گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. به عنوان مثال:
· ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نو
· ورشکستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
· کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی
· همه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی، کوچک و کم مصرف
· سلاحهای سبک تر، کوچکتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار
· شناسائی فوری کلیه خصوصیات ﮊنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
· ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
· از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی
· از بین بردن کامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
· سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
· تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ،
· و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر
نانوتکنولوﮊی و انرﮊی
نانوتکنولوﮊی ، منجـر بـه تغییراتـی شـگرف در اسـتفاده از منـابع طبیعـی، انـرﮊی و آب خواهـد شـد و پساب و آلـودگی را کـاهش خواهـدداد. همچنـین فنﹼـاوریهـای جدیـد، امکـان بازیافـت و اسـتفاده مجدد از مواد، انرﮊی و آب را فراهم خواهند کرد.در زمینه انرﮊی، نانوتکنولوﮊی میتواند بهطور قابل ملاحظهای کارآیی، ذخیرهسـازی و تولیـد انـرﮊی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرﮊی را پایین بیاورد. بـه عنـوان مثـال، شـرکتهای تولیـد کننـده مـواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویتشده با نانوذرات را ساختهاند که میتواند جـایگزین اجـزای فلـزی بدنـه اتومبیلها شود. استفاده گسترده از این مواد میتواند سالیانه ٥/١ میلیارد لیتر صرفهجویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.هدایت حرارتی موادی که با فناوری نانو حاصل شده ، کاربردهای دیگری نیز ارائه می دهد. ازآنجائیکـه دانسیته مناسب از این مواد می توانند قادر به هدایت سریع حـرارت از سـطح تمـاس بـه حفـره هـای حرارتی (Heat sinks) باشند، امکان تحقق این مواد اصلاح شده از نظر مقاومت حرارتی مطرح مـی گردد همچنین بعدها ممکن است توسعه مواد عایق کننده و لوله های حرارتی، بهره مندی از اخـتلاف هدایت حرارتی در طول و عرض لوله ها را تحقق بخشد. یکی ازایـن کاربردهـا مـی توانـد گـرم کـردن ساختمان ها باشد که جایگزین سیستم های برمبنای مایع موجود، بـرای گرمـا دهـی طبقـات خواهـد شد.مواد ، حدود ٧٠% از رشد ناخالص جوامع صنعتی را در یک یا چند زمینه تشکیل می دهند و از این رو برای اقتصاد حیاتی هستند. نانوتکنولوﮊی تقریباﹲ مسیر تولید انواع نامحدودی از مواد جدید را به شیوه های گوناگون فراهم میآورد. نانو مواد را میتوان به صورت مواد جدیدی که اندازه ساختار بنیادی آنها در مقیاس نانومتری طراحی شده تعریف کرد. اصولاﹲ مواد نانومتری با کاهش اندازه، در هر مقیاس رفتار جدیدی را بروز میدهند.نانوتکنولوﮊی اجازه ایجاد مواد و وسایلی با خصوصیات عملکردی و کارایی های جدید را میدهد.یکی دیگر از بازارهای این تکنولوﮊی در تجهیزات الکتریکی می باشد . از طرحهای صنعتی چنین برآورد میشود که پیشرفت های ایجاد شده در نانو تجهیزات نوری مبتنی بر LED ، طی ١٠ تا ١٥ سال آینده قابلیت کاهش ١٠ درصدی مصرف جهانی انرﮊی را دارد. این امر باعث ذخیره سالانه ١٠٠ میلیارد دلار و کاهش انتشار ٢٠٠ میلیون تن از گازهای کربن در سال میشود و انتظار میرود تغییرات عمدهای در فنﹼاوری روشنایی در ۰۱ سال آینده رخ دهد. میتوان نیمههادیهای مورد استفاده در دیودهای نورانی LED) ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریبا" ۰۲% کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) میشود.همچنین نانوتکنولوﮊی نوید بخـش پیـشرفتهـای چـشمگیری در زمینـه تبـدیل و ذخیـره انـرﮊی خورشیدی، مبدلهای ترموالکتریک، باتریها، پیلهـای سـوختی بـسیار کارآمـد و همچنـین خطـوط کارآمد انتقال نیروی الکتریکی است .
نانوتکنولوﮊی و محیط زیست
از دیر باز آلودگی های مختلف ، تهدیدی جدی برای محیط زیست جهانی و زندگی انسان بوده است.در قرن بیست و یکم توسعه فناوریهای جدیدی که اقتصاد صنعتی را بدون آسیب رساندن به سلامت انسان و محیط زیست شکوفا نماید، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. توسعه فناوری های جدید ساخت و انتقال و سایر فعالیت های کاهش یا حذف محصولات زیان آور در حین تولید ، تصفیه و اصلاح مواد سمی موجود در محیط زیست، مهمترین چالش کنونی جوامع ما است.علم و مهندسی مقیاس نانو میتواند به طرز چشمگیری شناخت ما را از فرآیندهای مولکولی که در محیط زیست رخ میدهد بهبود بخشد. توسعه فناوری های »سبز« که استفاده، تولید و انتقال محصولات زاید، خصوصاﹲ مواد سمی را به حداقل میرسانند به کاهش آلودگی کمک کند. پاک سازی محیط زیست به وسیله زدودن آلودگی از هوا و آب تا رساندن آنها به سطحی که در حال حاضر غیرقابل حصول است، با اندازهگیری پیوسته و به موقع آلودگیها میسر خواهد شد. از این رو افزایش شناخت اثرات نانو تکنولوﮊی برروی محیط زیست، اجتماع و سلامتی انسان یک امر حیاتی است.نانوتکنولوﮊی دوامپذیری منابع طبیعی را تضمین می کند . این فناوری منجر به تغییراتـی شـگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرﮊی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهـدداد. همچنـین فناوریهای جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرﮊی و آب را فراهم خواهند کرد.در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، میتوانـد تـأثیر قابـل ملاحظـهای در: درک مولکـولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ میدهد؛ در درمان مسائل زیـستمحیطـی از طریـق کنتـرل انتشار آلایندهها داشتهباشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوﮊی توان حذف آلودگیهـای کوچـک از منـابع آبی (کمتر از ۰۰۲ نانومتر) و هوا (زیر ۰۲ نانومتر) و اندازهگیری و کـاهش مـداوم آلـودگی در منـاطق بزرگتر را دارد.
تجربیات جهانی
نانوتکنولوﮊی و درک قابلیت های عظیم این فناوری متحول کننده، موجب سازماندهی و تدوین برنامـه های ملی فراوانی در بسیاری از کشورهای جهان شده است . تدوین این برنامه ها عمدتاﹰ به منظور بهره گیری هرچه بیشتر از قابلیت های نـانوتکنولوﮊی و عقـب مانـدن کـشورها از مـسیر تحـولات سـریع و دستاوردهای روبه رشد این فناوری صورت پذیرفته است .میزان توجه کشورها به نانوتکنولوﮊی به حدی بالا بوده است که رقـم سـرمایه گـذاری جهـانی در ایـن عرصه از ٨٠٠ میلیون دلار در سال ٢٠٠٠ به بیش از ٣ میلیارد دلار در سال ٢٠٠٣ رسیده است .میزان سرمایه گذاری مستقیم دولتها در زمینه نانو تکنولوﮊی نشان از اهمیت بالای این فنـاوری دارد :
در سال ١٩٩٧، سرمایه گذاری دولتها در این زمینه ٤٣٠ میلیون دلار بوده و در سال ٢٠٠٢ ایـن رقـم به دو میلیارد و ٢٠٠ میلیون دلار افزایش یافته است و از این عدد کشور امریکـا ٦٠٤ میلیـون دلار را به خود اختصاص داده است و ٤٥٠ میلیون دلار بـه کـل اروپـا و ٦٥٠ میلیـون دلار بـه ﮊاپـن و مبلـغ باقیمانده به مجموعه کشورهای دیگر اختصاص دارد.
در سال ٢٠٠٣، چهار میلیارد دلار سـرمایه گـذاری در زمینـه نـانو تکنولـوﮊی انجـام شـده اسـت کـه ٣ میلیارد آن را بخش دولتی و یک میلیارد را بخش خصوصی تامین کرده است.از سال ١٩٩٠ به بعد نظریه های نانو تکنولوﮊی مطرح شدند و روند رو به رشد ملایمی داشـته انـد و از سال ١٩٩٤ نانو تکنولوﮊی بیشتر در بعد تولید دانش فعال شد و در سالهای اخیر
