دنیای سازه‌های نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان‌سازی
نانوفناوری یکی از جالب‌ترین و در عین حال پیچیده‌ترین بخش‌های علم روز جهان به شمار می‌رود که توسعه آن می‌تواند در آینده‌ای نه‌چندان دور، تمام ابعاد زندگی انسان را متحول سازد. در سال‌های اخیر، صنعت ساختمان‌سازی نیز از این فناوری بی‌نصیب نمانده و در تولید مصالح ساختمانی جدید، بهینه‌سازی و اصلاح مواد موجود از دستاوردهای نانوتکنولوژی بهره برده است. در این مقاله کاربردهای فناوری نانو در مصالح و بخش‌های مختلف ساختمانی را بررسی کرده و با خواص و عملکرد ساختارهای مهم آن آشنا می‌شویم. پس اگر درباره این فناوری جذاب و جایگاه آن در صنعت ساخت‌وساز کنجکاو هستید، خواندن این مقاله به شما پیشنهاد می‌شود!
استفاده از فناوری نانو در ساختمان‌سازی، افق‌های جدیدی را پیش روی این صنعت قرار می‌دهد. دوام و طول عمر بالای محصولات ساخته شده با تکنولوژی نانو، در کنار وزن بسیار پایین، توجه فعالان صنعت ساخت‌وساز را به خود جلب کرده است.
کاربرد فناوری نانو در ساختمان
استفاده از فناوری نانو در ساختمان‌سازی، افق‌های جدیدی را پیش روی این صنعت قرار می‌دهد. اگر چه در حال حاضر قیمت پروفیل و سایر مصالح تولیدشده با فناوری نانو بالا است، اما نمی‌توان فواید بسیار استفاده از این فناوری در صنعت ساختمانی را نادیده گرفت. دوام و طول عمر بالای محصولات ساخته شده با فناوری نانو، در کنار وزن بسیار پایین، توجه فعالان صنعت ساخت‌وساز را به خود جلب کرده است. درحال حاضر، بیشتر محصولات ساختمانی تولیدشده با فناوری نانو در چهار گروه دسته‌بندی می‌شوند:
- مصالح ساختمانی بتنی: بتن و سیمان از پرکاربردترین و متداول‌ترین محصولاتی هستند که فناوری نانو برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها استفاده شده است. استحکام بتن را می‌توان ناشی از وجود سوزن‌های کریستالی کوچکی در ساختار آن دانست که به یکدیگر متصل شده‌اند. این ساختار را می‌توان با استفاده از پیونددهنده‌های نانو مستحکم‌تر و بادوام‌تر کرده و خصوصیات تازه‌ای به آن بخشید.
- کاهنده‌ها‌ی صدا و عایق‌های حرارتی: یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های موجود در بخش ساخت‌وساز، نوسازی حرارتی سازه‌های مسکونی و صنعتی است و استفاده از مواد عایق ساخته‌شده با فناوری نانو می‌تواند در حل این مشکل نقش داشته باشد. در برخی از ساختمان‌های قدیمی، اجرای عایق‌های خارجی متداول به ضخامت حدود 20 سانتی‌متر امکان‌پذیر نیست؛ فناوری نانو این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان این ساختمان‌ها را به نحو مناسبی عایق‌بندی کرد.
- پوشش‌های سطحی: در حال حاضر تعداد زیادی محصولات مبتنی بر فناوری نانو در بازار عرضه شده‌اند که با استقاده از آن‌ها می‌توان عملکرد سطوح مختلف را بهبود بخشید. انواع رنگ‌های مخصوص نمای ساختمان، شیشههای پنجره، کاشی‌های سقف، پوشش‌های ضدآب و ضدگرافیتی و... از جمله محصولات ساخته‌شده با فناوری نانو هستند که در تولید آن‌ها بیشتر روی خواص خودپاک‌کنندگی و مقاومت در برابر نفوذ آب، تمرکز شده است.
- محصولات ضدحریق: شیشههای مخصوص مقاوم در برابر آتش، شامل دو لایه شیشه هستند که ماده درون آن‌ها از جنس سیسلیسیم دی‌اکسید در مقیاس نانو است و در صورت بروز آتش‌سوزی کف خواهد کرد. این شیشه‌ها بسیار نازک و سبک هستند و می‌توانند به مدت 120 دقیقه، حرارتی بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. همچنین در پلاستیک‌ها نیز می‌توان ذرات سیلیکات نانوساختار را برای ایجاد خاصیت مقاومت در برابر حرارت و شعله به کار برد.
معرفی سازه‌های هوشمند نانو در ساختمان‌سازی
مواد هوشمند، ساختارهایی هستند که توانایی درک و فعال شدن، برای انجام عمل موردنظر را دارا می‌باشند. این مصالح می‌توانند مانند موجودات زنده، خود را با تغییرات محیطی منطبق ساخته و در برخی از موارد حتی ایجاد خدشه و خرابی را در ساختار خود پیش‌بینی کرده و آن را برطرف کنند. شکل ظاهری، سختی، فرکانس، رنگ و سایر ویژگی‌های مواد هوشمند، در اثر اعمال الکتریسیته یا میدان‌های مغناطیسی تغییر می‌کنند. استفاده از فناوری نانو در تولید سازه‌های هوشمند ساختمانی، بهبودهای قابل توجهی را در این مصالح ایجاد کرده است. مواد نانوساختار استفاده شده در این سازه‌های هوشمند، دارای انواع مختلفی هستند، مانند:
- نانوذرات: نانو ذرات نقره، سیلیسیم دی‌اکسید و تیتانیوم دی‌اکسید در حال حاضر پرکاربردترین نانوذرات در ساخت پوشش‌های نما به شمار می‌روند. استفاده از این نانوذرات در نمای ساختمان، باعث ایجاد خواص آنتی‌باکتریال شده و همچنین مقاومت در برابر اشعه فرابنفش را افزایش می‌دهد. همچنین ترکیب رزین‌رنگ‌ها با نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم، مانع از چسبیدن چربی و آلودگی بر روی سطوح می‌شود.
- نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها: نانولوله‌های کربنی از ورق‌های نازک گرافن ساخته شده‌اند و به دلیل برخورداری از ساختار و ویژگی‌های مکانیکی خاص، کاربردهای گسترده‌ای در تولید نانوکامپوزیت‌های ساختمانی دارند.
- نانوفیلم‌ها: نانوفیلم‌ها در دسته نانومواد دوبعدی قرار می‌گیرند و معمولا هنگامی که ترکیب یا خواص مکانیکی نیاز به تغییر دارد، به عنوان پرداخت سطحی به کار می‌روند. همچنین از این ساختارها به منظور تولید پوشش‌های پلاستیکی ضدخراش، پوشش‌های کم‌اصطکاک و موادی با ضریب شکست بسیار کم، استفاده می‌شود.
- نانومواد حجیم: این مواد دارای ابعاد سه‌بعدی در مقیاس نانو هستند. از ویژگی‌های برجسته این ساختارها، می‌توان به نسبت بالای استحکام به وزن، نرخ کرنش بالا و شکل‌پذیری در دمای پایین اشاره کرد که آن‌ها را برای استفاده در صنعت ساختمانی مناسب می‌سازند.
مصالح نوین ساختمانی نانو
استفاده از ساختارهای نانو مانند نانولوله‌های کربنی، در مصالح جدید ساختمانی رو به افزایش است و می‌توان انتظار داشت با تولید انبوه، قیمت میلگرد پلاستیکی نانوکربنی و سایر مواد ساختمانی تولیدشده با فناوری نانو به تدریج کاهش پیدا کند. در ادامه تعدادی از پرکاربردترین و جدیدترین مصالح ساختمانی ساخته‌شده با فناوری نانو را معرفی می‌کنیم.
نانوکامپوزیت‌ها: ساختمان‌سازی در حال حاضر به عنوان دومین صنعت مصرف‌کننده پلاستیک در جهان به شمار می‌رود. پروفیل‌های درب و پنجره، لوله‌ها و اتصالات، چسب‌های درزگیر و... از جمله محصولاتی هستند که از پلاستیک ساخته شده و در ساخت‌وساز استفاده می‌شوند. استفاده از فناوری نانو در صنعت پلاستیک، باعث ایجاد الیاف مقاوم و سبکی به نام نانوکامپوزیت‌ها شده است. این الیاف با هزینه مناسبی تولید می‌شوند و استفاده از آن‌ها، محصولات ساختمانی را در برابر حوادث طبیعی و غیرطبیعی مقاوم می‌سازد.
آجرهای نانو-رس: آجرهای متداول موجود در بازار مصالح ساختمانی، تحت فشار بالا مقاومت خوبی را از خود نشان نمی‌دهند. دانشمندان برای اصلاح این خاصیت، نانوذرات مختلفی را با توجه به ترکیب شیمیایی آجر به آن اضافه می‌کنند. این ذرات در لایه‌های معدنی سیلیکاتی که به آن‌ها نانو-رس گفته می‌شود، یافت می‌شوند. تحقیقات نشان داده تنها با افزودن پنج درصد نانو-رس، به ترکیب آجرهای معمولی، می‌توان مقاومت آن‌ها در برابر فشار را تا 4/8 برابر افزایش داد. این آجرها همچنین در مقایسه با آجرهای رسی معمولی، از پایداری و طول عمر بیشتری برخوردار هستند.
چوب ام‌دی‌اف نانو: یکی از محصولات چوبی پرکاربرد در طراحی داخلی ساختمان‌ها، MDF یا همان تخته فیبری دارای چگالی متوسط است. این محصول از ترکیب رزین مصنوعی و الیاف سلولوزی، تحت فشار و حرارت ساخته شده است. با افزودن نانوذرات آلومینیوم اکسید، در حین فرآیند انتقال حرارت، می‌توان خواص فیزیکی و شیمیایی این محصول را بهبود بخشید. همچنین نتایج استفاده از نانوذرات تیتانیوم دی‌کسید نشان می‌دهد که این ماده می‌تواند به طور موثری از رشد قارچ‌ها و باکتری‌های مخرب در سطح چوب جلوگیری کند.
نانو تکنولوژی در بتن
بتن یکی از مصالح اساسی در ساخت‌وساز به شمار می‌رود و اهمیت آن در تجارت باعث شده تا سرمایه مناسبی برای تحقیق و توسعه تکنولوژی ساخت آن اختصاص پیدا کند. تکنولوژی نانو در قدم اول به عنوان ابزاری برای شناسایی ساختار و درک رفتار بتن و سپس برای اصلاح و بهبود ویژگی‌های آن به کار رفته است. بتن ماده‌ای است که به شدت از خواص ذرات نانومقیاس خود تاثیر می‌پذیرد و درک همین مسئله، نقش بسیار مهمی در پیدا کردن روش‌های مختلف برای افزایش استحکام و دوام و بهبود خواص دیگر این محصول ایفا می‌کند. روش‌های سنتی ترکیب خمیر سیمان، به دلیل نامنظم بودن ساختار بلوری خمیر، کارایی خوبی ندارند؛ با استفاده از ذرات نانو می‌توان حفره‌ها و فضاهای خالی موجود را پوشش داد تا بتن پس از سخت شدن، حفره‌های کمتری داشته باشد. سیلیس (SiO2) یکی از موادی است که در ترکیب بتن معمولی یافت می‌شود؛ مطالعه بتن در مقیاس نانو نشان داده که چینش ذرات درون بتن را می‌توان با استفاده از نانوذرات همین ماده (سیلیس)، بهبود بخشید که این تغییر منجر به ریزساختار شدن بتن و درنتیجه بهتر شدن خواص مکانیکی آن می‌شود.
همچنین تحقیقات انجام‌شده بر روی نانوذرات هماتیت (Fe2O3) نشان داده که افزودن این ماده به بتن، باعث افزایش استحکام آن می‌شود. تیتانیوم دی‌کسید (TiO2) که پیش از این معرفی شد، دیگر ماده‌ای است که برای بهبود خواص بتن و در مقیاس نانو به آن افزوده می‌شود. این ذرات در واقع رنگدانه‌های سفیدی هستند که خواص بازتابی بسیار خوبی به بتن می‌بخشند و به راحتی دچار تغییر نمی‌شوند. تیتانیوم دی‌اکسید، آلاینده‌های آلی و ذرات خاک موجود در سطح بتن را به دی‌اکسید کربن و آب بی‌ضرر تجزیه می‌کند و سپس مواد ناشی از انجام واکنش کاتالیزوری، به راحتی با آب باران یا آبکشی پاک می‌شوند. نانولوله‌های اکسید چندجداره نیز می‌توانند مقاومت خمشی و فشاری بتن را تا حد زیادی افزایش داده و با جلوگیری از نفوذ آب و نمک، طول عمر بتن را بالا ببرند. نانوکلسیم کربنات، نانو-رس، گرد و غبار کوره قوس الکتریکی و نانوآلومینیوم نیز مواد دیگری هستند که برای بهبود کیفیت بتن استفاده می‌شوند.
استفاده از فناوری نانو در تولید بتن، مزایای دیگری نیز دارد، مانند:
- کاهش ترک‌های ایجاد شده به دلیل هیدراتاسیون
- افزایش مقاومت شیمیایی در مقابل حملات سولفاتی
- افزایش مقاومت در برابر اسیدها
- کاهش حرکت و عمق نفوذ کلر
- پوشش دادن حفره‌ها و حفظ یکپارچگی بتن
برای جلوگیری از چسبندگی نانوذرات به یکدیگر در داخل سیمان، باید از دستگاه‌های مخلوط‌کننده قوی برای ترکیب کردن آن‌ها استفاده کرد.
معرفی نانو فولادها
پیشرفت و تغییرات بی‌وقفه‌ی فناوری‌ها و صنایع مدرن، باعث شده تا نیاز به آلیاژهای فلزی با خواص تازه، بیش از هر زمان دیگری احساس شود. صنایع مختلف از جمله ساختمان‌سازی، محصولاتی را نیاز دارند که قابلیت‌های عملکردی آن‌ها فراتر از مرزهای شناخته‌شده مواد موجود باشد. خوشبختانه محققان موفق به کشف طبقه‌ی جدیدی از مواد فولادی نانوساختار شده‌اند که برای پاسخ دادن به نیازهای طیف وسیعی از صنایع، کاملا مناسب هستند. فویل‌ها، فلزات پودری و ورق‌های فولادی، همگی محصولاتی هستند که امروزه می‌توان آن‌ها را با فناوری نانو، به نحو مناسب‌تری تولید کرد. اضافه کردن نانوذرات مس به ساختار فولاد، تنش و ناهمواری‌های سطحی آن را کاهش داده و در نتیجه مانع از بروز ترک‌های سطحی ناشی از خستگی می‌شود. به همین خاطر تغییرات قیمت مس در تولید این محصول اثرگذار خواهد بود. این ویژگی در صنعت ساخت‌وساز و به‌خصوص در سازه‌هایی مانند برج‌ها و پل‌ها که تحت نیروی سیکلی قرار دارند، اهمیت زیادی دارد. فولادهای نانوساختار دارای ضریب ایمنی بالایی هستند و در کاربردهایی که دقت و ملاحظات بیشتری موردنیاز است، اصلی‌ترین گزینه به شمار می‌روند. شاید پل‌های کابلی را بتوان بارزترین مثال از کاربرد نانوفولادها دانست؛ به این منظور فولاد را در ابعاد نانومتری تحت اصلاح فازی قرار می‌دهند. به این ترتیب کابل‌های فولادی فوق مستحکمی ایجاد می‌شوند که استفاده از آن‌ها باعث کاهش زمان و هزینه موردنیاز برای ساخت پل می‌شود. افزودن نانوذرات منگنز و کلسیم به ساختار فولاد نیز باعث بالا رفتن چقرمگی جوش می‌شود. به طور کلی برای ساخت نانوفولاد و سایر فلزات نانوساختار، از سه روش استفاده می‌شود که عبارتند از:
- تغییر شکل: در روش تغییر شکل، با بمباران کردن ماده به وسیله کره‌های کوچک، اعمال تنش‌های مکانیکی و یا اکستروژن، میکروساختارها را شکسته و به نانوساختار تبدیل می‌کنند.
- بلوری کردن شیشه: در این روش، با تولید محلول جامد و فوق اشباعی به نام شیشه فلزی، آرایه‌ای بدون شکل از اتم‌های آلیاژ را بدون مرز بلوری ایجاد می‌کنند. سپس با گرم و سرد کردن تدریجی این محلول، بلورهای نانومقیاس تولید می‌شوند.
- آبکاری: در روش آبکاری، محلولی از یون‌های فلزی را درون یک سلول الکتریکی ایجاد می‌کنند و با رسوب کردن نانوبلورها بر روی کاتد، ماده موردنظر ساخته می‌شود.
پوشش‌های نانو در صنعت ساختمان
پوشش‌های ساخته‌شده با فناوری نانو برای محافظت از مصالح ساختمانی مختلف مانند شیشه، سنگ مرمر، بتن، سنگ آهک، فولاد و... به کار می‌روند. استفاده از این پوشش‌ها باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی و عوامل محیطی مانند خزه، آب و روغن، کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت حرارتی می‌شود. پوشش‌های نانو دارای انواع مختلفی هستند، از جمله: آب‌گریز، آب‌دوست، مقاوم در برابر شعله، ضدگرافیتی، مقاوم در برابر سایش، مقاوم در برابر خوردگی و فتوولتاییک. هر یک از این پوشش‌ها با توجه به ویژگی‌های موردنیاز، در بخش خاصی از ساخت‌وساز به کار می‌روند.
پوشش‌های آب‌گریز و آب‌دوست عمدتا در قسمت‌های مسطح ساختمان و مصالحی مانند سنگ، کاشی، چوب و... استفاده می‌شوند. در موادی مانند نانوذرات اکسید سیلیکون، زاویه تماس آب بیش از 90 درجه است، بنابراین این مواد آب را از خود دفع کرده و اصطلاحا آب‌گریز نامیده می‌شوند. در حالی که پوشش‌های آب‌دوست، آب را جذب کرده و آلودگی‌ها را از بین می‌برند.
پوشش‌های مقاوم در برابر سایش، برای حفظ عملکرد سطوح و افزایش طول عمر قطعات استفاده می‌شوند. نانوذرات به کاررفته در این پوشش‌ها به دلیل ابعاد بسیار کوچک، شفافیت را تغییر نمی‌دهند، بنابراین چنین پوشش‌هایی را می‌توان برای حفظ دوام و شکل ظاهری اجزایی مانند پنجره‌ها و کفپوش پارکت‌ها به کار برد.
پوشش‌های ضدخوردگی، از اجزای مختلف در برابر اکسیداسیون، غبار، رطوبت، نمک‌ها و مواد شیمیایی محافظت می‌کنند. پلی تترافلورواتیلن (PTFE) یکی از این پوشش‌ها است که در دمای بالا کارایی داشته و خاصیت ضدچسبندگی نیز دارد. پوشش اپوکسی سرامیکی با مستحکم کردن اتصال ذرات سرامیکی، مقاومت ماده در برابر سایش را افزایش می‌دهد.
پوشش‌های ضدشعله از سوختن مواد قابل اشتعال مانند چوب، فوم، کابل‌های برق، پارچه‌ها و... جلوگیری می‌کنند. محققان با افزودن نانوذرات منیزیم به هیدروکسیدهای دولایه آلومینیومی، اکسیدهای تیتانیوم و اکسید سیلیسیم، موفق به تولید پوشش‌های مقاوم در برابر شعله شده‌اند.
شیشههای هوشمند و کاربردهای آن
استفاده از فناوری نانو در صنعت شیشه باعث شده تا تغییرات زیادی در دما، مقاومت، میزان عبور نور و سایر خصوصیات شیشه‌ها صورت بگیرد. این محصولات با همان پوشش‌های نانوی معرفی‌شده در بخش قبلی تولید می‌شوند و دارای انواع مختلف خودتمیزشونده، ضدحریق، آنتی‌باکتریال، کنترل‌کننده و... هستند.
شیشههای آنتی‌باکتریال برای جلوگیری از رشد و انتقال باکتری‌ها استفاده می‌شوند و بیش‌ترین کاربرد آن‌ها در تولید صفحه نمایش گوشی‌ها است؛ چرا که این صفحات همواره در معرض تماس با انواع آلودگی‌ها قرار دارند. این نوع شیشه همچنین بهترین گزینه برای مکان‌هایی مانند بیمارستان‌ها و آزمایشگاه‌ها به شمار می‌رود که لازم است کاملا تمیز و ایزوله باشند.
شیشههای خودتمیزشونده در سطح خود دارای پوشش آب‌دوست هستند که با جذب نور خورشید، مانند یک کاتالیزور نوری عمل می‌کند و باعث پخش شدن آب در سطح و در نهایت، پاک شدن آن می‌شود.
شیشههای کنترل‌کننده انرژی می‌توانند امواج فرابنفش و مادون قرمز را تا حد بسیار زیادی کاهش داده و مقدار نور مرئی را تنظیم کنند. این شیشه‌ها با کاهش 80 تا 85 اتلاف انرژی در فصول تابستان و زمستان، نقش مهمی در صرفه‌جویی مصرف انرژی ایفا می‌کنند.
شیشههای ضد مه که اخیرا در تولید آینه‌ی خودروها به کار می‌روند، از یک سطح ابرآب‌دوست تشکیل شده‌اند که از جمع شدن قطره‌های ناشی از مه بر روی شیشه جلوگیری می‌کند و آن‌ها را به صورت یک لایه‌ی نازک از آب درمی‌آورد.
شیشههای ایمن حرارتی با استفاده از عملیات حرارتی گرم می‌شوند و سرد کردن سریع آن‌ها باعث ایجاد ساختاری سخت می‌شود. نکته‌ی جالب اینجاست که شیشه‌ی حرارتی در اثر ضربه خوردن، نه به شکل تکه‌های ریز دارای دندانه، بلکه به صورت تکه‌های شبیه به سنگریزه و بدون دندانه درمی‌آید. شیشههای ایمن حرارتی را می‌توان در ساخت پنجره‌های کناری خودروها به کار برد.
جمع‌بندی
علاوه بر تمام خصوصیات منحصربه‌فردی که برای مواد ساختمانی تولیدشده با فناوری نانو برشمردیم، یک مزیت مهم دیگر نیز وجود دارد که نانوفناوری را تبدیل به پدیده‌‌ای بی‌عیب و نقص می‌کند: استفاده از منابع کمتر، بدون انجام اعمال تخریب‌کننده که باعث صرفه‌جویی در مصرف مواد خام و حفظ محیط زیست می‌شود و این همان چیزی است که برای گذر از بحران‌های زیست‌محیطی ایجادشده به دست بشر به آن نیازمندیم. نظر شما درباره‌ی آینده‌ی این فناوری، به‌خصوص در صنعت ساختمان‌سازی چیست؟ آن را با ما به اشتراک بگذارید.
