Nowoczesny świat od zawsze dążył do maksymalizacji zysków przy ciągłej redukcji kosztów. W dzisiejszych czasach doszła do tego ekologia, czyli świadomość o wpływie obecnych rozwiązań na otaczającą nas przyrodę i nas samych. Poza BIM czy sztuczną inteligencją pozwalającymi zredukować zarówno koszty opracowań, jak i odpady materiałów; nieuniknionym jest zastosowanie rozwiązań bardziej proekologicznych takich jak nanotechnologia. Na szczęście naukowcy rozwijają tą dziedzinę od wielu lat, a  nanocząsteczki zaczynają pojawiać się w najważniejszych gałęziach gospodarki:

  • transport i przemysł – odejście od paliw kopalnianych na czystą energię z wodoru wymaga sposobu na jego magazynowanie, jednym z nich jest metal, a dokładniej nanocząsteczki palladu i magnezu charakteryzujące się szybką absorpcją wodoru,
  • przemysł elektroniczny – dochodzimy do maksimum wydajności układów krzemowych, które mogą zostać zastąpione przez wydajniejszy grafen,
  • budownictwo – tutaj już odgrywają znaczącą rolę, ponadto chcąc budować większe i bezpieczniejsze konstrukcje wręcz konieczne jest zastosowanie nanomateriałów.

Nanotechnologia – jak to jest zrobione

Nanotechnologia wykorzystuje bardzo małe cząstki, ich wymiary są mniejsze niż 100nm (1nm to 10-9m), wykonuje się je na przykład z metali szlachetnych. Materiał z jakiego powstają, dzięki ograniczeniu rozmiaru do skali nano cechuje się właściwościami znacznie odbiegającymi od pierwotnych, przez co mogą zostać wykorzystane w zupełnie odmiennych warunkach i celach.  Dzięki zastosowaniu składnika w rozmiarze nano, powstają nanomateriały lub większe struktury zwane nanoproduktami.

W budownictwie nanododatki mogą zmieniać właściwości praktycznie każdego stosowanego w tej dziedzinie materiału. Do podstawowych zalet tej technologii można zaliczyć:

  • mocniejszy, trwalszy i łatwiejszy w układaniu beton,
  • zwiększenie wytrzymałości stali,
  • samoczyszczące szkło,
  • lepiej izolujące i hydrofobowe farby.

Dwoma najpopularniejszymi cząsteczkami nanorozmiarów są dwutlenek tytanu (TiO2) nadający właściwości samoczyszczących, oraz nanorurki węglowe (CNTs) zbudowane ze zwiniętego w rurkę grafenu. Nanorurki charakteryzują się 5x większym modułem Younga, 8x większą wytrzymałością oraz gęstością na poziomie 1/6 w porównaniu do standardowej stali.

Nanomateriały

Nano – beton

W przypadku betonu najczęstszym dodatkiem jest dwutlenek tytanu nadający mu właściwości oczyszczających powietrze, antybakteryjne oraz przeciwzabrudzeniowe.

Produkowane aktualnie betony są bardzo mocne, uzyskanie ich jest możliwe dzięki redukcji wskaźnika wodno-cementowego. Chcąc jednak stworzyć beton jeszcze mocniejszy trzeba szukać alternatywy do ograniczania ilości wody w  mieszance. Powód jest bardzo prosty – osiągnęliśmy minimum wody jaka jest potrzebna do pełnej hydratacji cementu. Tutaj właśnie jest pole do popisu dla nanomateriałów. Trwają badania nad korzyściami płynącymi z dodawania nanorurek węglowych w niewielkich ilościach sięgających 1%. Nanorurki mogą poprawić wytrzymałość betonu. Kilkuwarstwowe nanorurki wykazują najlepsze właściwości polepszając wytrzymałość na ściskanie (+25N.mm2)  jaki i rozciąganie (+8N/mm2). Jednak pojawia się tu problem z kohezją: nanorurki są bardzo ciężkie do połączenia z innymi materiałami. Ponadto sam koszt produkcji jest aktualnie zbyt wysoki.

Kolejną możliwością nanotechnologii w polepszeniu właściwości betonu są kruche nanokapsułki z materiałem naprawczym (żywica samoutwardzalna) w środku. Dodawane są jako zbrojenie rozproszone. Ich zadaniem jest uszczelnienie betonu w przypadku wystąpienia mikropęknięć. Jest to tzw. beton samonaprawczy.

Nano – stal

Nanotechnologia w budownictwieJednym z największych problemów stali jest jej trwałość zmęczeniowa, bardzo istotna w przypadku budowli obciążonych cyklicznie, takich jak wieże, mosty. Żywotność takiej konstrukcji zostaje znacznie skrócona, ponieważ zniszczenie może nastąpić przy o wiele niższych naprężeniach niż te doprowadzające stal do granicy plastyczności. Badania dowiodły że dodanie nanocząstek miedzi zmniejsza nierówności powierzchni stali, powodujące koncentrację naprężeń, a więc również pękanie zmęczeniowe.

W innych badaniach z kolei wykazano, że nanocząsteczki wanadu oraz molibdenu zmniejszają skutki kruchości wodorowej śrub o wysokiej wytrzymałości.

Nano – szkło

Kolejnym zastosowaniem nanotechnologii jest szkło ognioodporne. Otrzymuje się je poprzez przeźroczystą warstwę z koloidalnej krzemionki (SiO2), nanocząsteczki umieszczonej pomiędzy dwoma szklanymi panelami, która po podgrzaniu tworzy sztywną i nieprzezroczystą tarczę przeciwpożarową.

Nanotechnologia – przyszłość

Nanotechnologia coraz śmielej wkracza w naszą codzienność, wystarczy kupić farbę antybakteryjną w której jest nic innego jak nanocząsteczki. Pojawi się znacznie więcej takich materiałów czy produktów. Wpływ na to będą mieć nie tylko korzyści jakie niesie ze sobą nanotechnologia, ale także rozwój samej technologii powodujący, że jej wykorzystywanie stanie się znacznie tańsze.

Podoba się Wam przyszłość z wszechobecnymi nanomateriałami? A może chcecie żebyśmy opisali któryś z nowoczesnych materiałów dokładniej? Dajcie znać w komentarzach.

Źródła:
Amit Srivastava, Kirti Singh – Nanotechnology in Civil Engineering and Construction a review on state of the art and future prospects
Ali Akbar Firoozi, Mohd Raihan Taha, Ali Asghar Firoozi – Nanotechnology in Civil Engineering

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię