بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از نانو مواد در زمینههای مختلف علوم مهندسی از دامنه وسیعی برخوردار بوده است. کاربردهای مواد از طریق خواص مکانیکی و شیمیایی آنها تعیین میشود. فناوری نانو یک حرکت جدید در سیستمهای تولید مواد ایجاد نموده است. درحالیکه مواد بسیار کوچک میشوند، خواص جدید قابلتوجه ای پیدا میکنند که این خواص در سطوح میکرو مولکولی یا بزرگتر قابلمشاهده نیست. از سوی دیگر مهندسی عمران و معماری نیز از مزایای این فناوری جدید بیبهره نمانده است، از جمله مهمترین کاربردهای نانو مواد را میتوان در صنعت ساختمان، انرژی و محیطزیست دانست. لیکن نگرش ویژهای در زمینه تأثیر فناوری نانو و کاربرد نانو مواد در عملکرد بهینه زیرساختهای کشور صورت نگرفته است.
بر این اساس در این پژوهش از طریق ادراک خواص شیمیایی مواد همانند آنالیز عنصری و ساختار مولکولی یا اتمی با استفاده از بخشی از مطالعات آزمایشگاهی به بررسی تأثیر نانو مواد در شاخههای مختلف مهندسی عمران بهخصوص صنعت ساختوساز، انرژی و محیطزیست با نگرش توسعه زیرساختها پرداختهشده است. از مهمترین نتایج این پژوهش نحوه جایگزینی نانو مواد جدید بهجای مواد قدیمی مورد استفاده در مهندسی عمران و معماری و افزایش مقاومت مصالح ساختمانی و طول عمر مواد و کاهش انرژی است.
.1 مقدمه
فناوری نانو بهتازگی تبدیل به یکی از "برترین" زمینهها در تحقیق و توسعه در سراسر جهان شده است و همچنین توجه قابلملاحظهای در رسانهها و جامعه سرمایهگذاری جلب کرده است. نانوتکنولوژیاساساً در مورد روشهای جدید ساخت از طریق درک و کنترل بر روی بلوکهای ساختمانهای اساسی - اتم، مولکول - همهچیزهای فیزیکی است .[1] به احتمال زیاد تقریباً روش همهچیزهای طراحی و ساختهشده را تغییر میدهد. با حمایت مالی بیسابقهای، فناوری نانو بهسرعت در حال ظهور بهعنوان انقلاب صنعتی قرن 21 است
نانوتکنولوژی یک اصطلاح مشهور و یک عامل مؤثر مجازی در زندگی روزمره است. با نانوتکنولوژی ممکن است موادی برای عناصر بنیادی در اندازه شاخه های اتمی - خوشه های اتمی - ساخته شود، که موجب فراهم کردن و بهبود خواص الکترونیک، مغناطیس، نوری و شیمیایی مواد شود. فناوری نانو برای استفاده در سطح وسیع به صورت عمومی و برای بهره-مند شدن افراد از آن ارائه شده است. فناوری نانو یک مفهوم با دامنه وسیع توسعه در زمینههای مولفههای الکترونیک نانومقیاسی را ارائه میدهد
نانوتکنولوژی، فناوری نوظهور و یکی از اجزای کلیدی پیشرفتهای فنی قرن حاضر است. بکارگیری مواد با ساختارهای بر پایهء ابعاد نانومتری خود از قبل ما را به سمت توسعه و ارائه راه حلهای نویدبخش برای تولید محصولات برتر در آینده، رهنمون ساخته است. ساخت و کنترل نانوساختار برای اجزاء تشکیل دهندهء ساختاری و کاربردهای چند منظوره، عامل کلیدی برای توسعهء مواد پیشرفته به شمار میرود .[5-3] تعریف معمول فناوری نانو درک، کنترل و تجدید ساختار ماده در دستور نانومتر - به عنوان مثال، کمتر از 100 نانومتر - به ایجاد مواد با خواص و عملکرد اساسا جدید تعریف شده است
فناوری نانو شامل دو رویکرد اصلی است : - الف - "رویکرد از بالا به پایین"، که در آن ساختارهای بزرگتر در اندازه ای به مقیاس نانو کاهش می یابد در حالی که خواص اصلی خود را بدون کنترل در سطح اتمی حفظ می کنند و یا واسازی از ساختار بزرگتر به کوچکتر خود،و قطعات کامپوزیت
- ب - رویکرد "پایین به بالا" ، که "فناوری نانو مولکولی" و یا "ساخت مولکولی،" نیز نامیده می شود توسط درکسلر و همکاران معرفی شده است؛ که در آن مواد از اتم ها یا اجزای مولکولی از طریق یک فرایند مونتاژ و یا خود مونتاژطراحی شده است. در حالی که بسیاری از فن آوری های معاصر بر "رویکرد از بالا به پایین"، تکیه می کنند، فناوری نانو مولکولی دارای وعدههای بزرگ برای پیشرفت در مواد و ساخت، الکترونیک، پزشکی و بهداشت و درمان، انرژی، بیوتکنولوژی، فناوری اطلاعات، و امنیت ملی است
نانومواد یک حرکت جدید را در سیستمهای تولید مواد ایجاد کردند. در حالی که مواد بسیار کوچک میشوند، خواص جدید قابل توجهای پیدا میکنند. به صورت عمومی افزایش خواص مکانیکی، الکتریکی، ساختمانی و مغناطیسی قابل توجه است. بعضی از این خواص که موجب شهرت نانومواد شده است به شرح ذیل است
- اندازه ذرات در حدود 10 9متر
- افزایش سطح مخصوص به شدت
- آشکار ساختن جذابیتها و خواص مفید
- افزایش سختی و شکلپذیری مواد
- افزایش فعالیت بسیار زیاد شیمیایی مواد
پتانسیل نانومواد، فقط یک بخش از علم فن آوری نانومواد است. که نتایج و پی آمدهای مفیدی داشته است که به شرح ذیل است :
- کمک به راه حلهای مسائل زیست محیطی
- تولید مواد و محصولات با خواص جدید
- بهبود فناوریهای موجود و توسعه مواد کاربردی
- بهینهسازی شرایط اولیه برای کاربردهای عملی
علوم نانو و فناوری نانو بهناچار عبور از مرزها و علوم سنتی و فنآوری، مانند شیمی، فیزیک، علوم زیستی، مواد و بسیاری از رشتههای مهندسی را با هم به ارمغان میآورد. بیشتر از هر چیز دیگری، فناوری نانوتکنولوژی قادر است انجام کارهای جدیددر تقریباً هر رشته فنآوری قابلتصور برای ما ممکن کند. همچنین برنامه های کاربردی آن به سمت بهتر پاکتر، ارزانتر، سریعتر و دقیقتر شدن محصولات و فرآیندهای تولید میرود
نانو مانند فنآوریهای دیگر قابلدسترس بهعنوانمثال، برق و میکروالکترونیک، زندگی را دگرگون کرده است. رشد فناوری نانو ممکن است بسیار سریعتر از توسعه رایانههای قدرتمند، ارتباطات جهانی و بسیاری دیگر از پیشرفتهای فنآوری باشد
.2 نانومهندسی فناوری نانو در ساختوساز
صنعت ساختمان یک صنعت بسیار بزرگ دیگر است، که نانومواد در این صنعت توان خود را نشان میدهند. با این حال، باید یادآور شد که از رده خارج کردن مواد مرسوم ساخت و ساز، مثل بتن تقویت شده با فولاد از نظر قیمت مشکل است. اگر فقط خانهای مسکونی را در نظر بگیریم، تصور ماده جدیدی که قادر به رقابت با مواد مرسوم صرفاً برای اهداف ساختمانی باشد مشکل به نظر میرسد؛ با این حال بخشهای از صنعت ساختمان مانند ساخت پل و یا ساخت آسمان خراشها بزرگ میتوانند از فناوری نانو بهرهمند شوند، مخصوصاً اگر استحکام کششی نانولولههای کربنی در محصولات تودهای تحقق یابد
عمر صنعت ساختمان بیش از عمرمفید یک ساختمان است. ساختارهای داخلی مخصوصاً در ادارات، اغلب از گستره وسیعتری از مواد پایه ساختمانی خلق میشوند. به علاوه دو محرکه اقتصادی دیگر موجود در این صنعت، میتوانند به کاربردهای فناوری نانو ختم شوند .[1] در میان مدت تا دراز مدت این امکان وجود دارد، که مواد ساختمانی جدید صرفه وزنی قابل ملاحظهای را عرضه نمایند.
کامپوزیتهای کنونی مبتنی بر نانوذرات رس، %15 کاهش وزن را ارایه میدهند که ممکن است بعدها تا %25 توسعه یابد، اما از کامپوزیتهای نانولولهای انتظار میرود به نحوی تصاعدی از این حد بگذرند. این موضوع ممکن است امکان خلق سازههای نه فقط بزرگتر و بلندتر، بلکه سازه هایی با طرحهای خارق العاده را فراهم کنند. باید به خاطر داشت که قدرت فوق العاده نانولولهها در کشش - یعنی مقاومت دربرابر کشیدگی - است؛ تحت نیروهای فشردگی که اغلب در ساختمآنها مشاهده میشود، آنها به خوبی رفتار در هنگام کشیدگی نخواهند بود
به عنوان کاربردی از نانومواد در صنعت میتوان اثبات کرد که نانولولههای کربنی حدود 100 برابر قویتر از فولادند، در حالی که وزن آنها تنها فولاد 1/6 است . کاربردهای جدید نانومواد و تأثیرات آن در صدها آزمایشگاه در سرتاسر جهان در حال بررسی است و در بعضی از آنها کاربردهای مفیدی برای پیشبرد زندگی در آینده یافت شده است
گامهای بلندی اخراًی در ابزار دقیق برای مشاهده و اندازهگیری در مقیاس نانو در حال فراهم آوردن ثروت از اطلاعات جدید و بیسابقهای در مورد بتن که برخی از آنها مخدوشکنندههای تفکرات مرسوم قبلی نیز هستند. بر این اساس در این مقاله به بررسی تحولات اصلی درزمینه نانوفنّاوری و تحقیقات علوم نانو در بتن، همراه با پیامدهای آن و یافتههای کلیدی است. این مقاله به سه بخش اصلی تقسیم میشود. بخش - الف - : نانو فناوری در ساختوساز و تعاریف فناوری نانو در بتن، - ب - پیشرفت در ابزار دقیق و علم مواد محاسباتی و - ج - نانو مهندسی مواد مبتنی بر سیمان
-2-1 آگاهی و فعالیتهای مرتبط با نانو در ساختوساز
بر اساس بررسی 100 پروژه تحقیقاتی مربوط به فناوری نانو در ساختوساز خلاصهای به شرح ذیل ارائهشده است:
- عملکرد بالای مواد ساختاری - اصلاح نانو ساختار از فولاد- فلزات، سرامیک - شیشه، پلیمر، سیمان - بتن، از کامپوزیتهای کنترل فرآیند و یا با استفاده از نانو ذرات، نانولولهها و نانو مواد افزودنی - .
- درک پدیدهها در مقیاس نانو - نانو ساختار - بهعنوانمثال هیدراسیون، انقباض، زوال و غیره - با استفاده از فنهای جدید.
- حسگرهای جدید، دستگاهها و ساختارهای هوشمند - نظارت بر بهبود شرایط ساختاری و محیطی انرژی پایدار، برنامه محیطزیست - سلولهای سوختی جدید، چراغهای برق باانرژی کارآمد، عایقهای ویژه، پاککنندهها و غیره .
-2-2 فعالیتهای موجود در فناوری نانو مربوط به ساختوساز
بهعنوان یک نتیجه بیسابقه درزمینه علم در مقیاس نانو و تکنولوژی، علایق و فعالیت در فناوری نانو R & D در سراسر بخشهای صنعتی به شکل قابلملاحظهای افزایشیافته است. این روند تحت پوشش طیف گستردهای از فعالیتها یعنی درک و مدلسازی پدیدهها در مقیاس نانو و توسعه ذرات در مقیاس نانو و الیاف نانو ساختار و مواد اصلاحشده، مواد کارکردی، فیلمهای نازک و پوشش -رنگها، دستگاههای انرژی کارآمد و مواد هوشمند است.
"خانه نانو" برترین مسکن پایدار و سازگار با محیطزیست با استفاده از مواد مبتنی بر فناوری نانواخیراً توسعهیافته است و این ابتکار وسیله نقلیه مناسبی برای نشان دادن برنامههای کاربردی از فناوری نانو برای عموم مردم است و چگونه این برنامه با هر یک از مواد دیگر و متعارف بهمنظور تحریک انتشار فناوری نانو در صنایع است
