Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Nanotechnologie w budownictwie – naśladowanie natury

Architektura inspirowana naturą | Nanoobserwacja natury
Sklepienie ogrodu botanicznego Eden Project inspirowane strukturą bańki mydlanej / Nanotechnologies in construction – imitating nature
Sklepienie ogrodu botanicznego Eden Project inspirowane strukturą bańki mydlanej / Nanotechnologies in construction – imitating nature
GeodesicGreenhouse.org

Wnikliwa obserwacja otaczającego nas świata pozwala dojść do wniosku, że z wieloma nękającymi nas problemami natura doskonale poradziła sobie sama. Trudno zatem oprzeć się pokusie naśladownictwa, a pole do popisu dla współczesnych naukowców jest ogromne. Jednym z podstawowych wyzwań stojących przed naukowcami jest więc dokładne poznanie sekretów, jakie wciąż przed nami kryje świat przyrody ożywionej.

Wiele procesów zachodzących w przyrodzie dało impuls do działania i już dziś znanych jest wiele rozwiązań odtwórczych, które nanotechnolodzy wprowadzają powoli na taśmy produkcyjne. Produkty odtwórstwa cudów natury są obecnie w cenie. Zanim jednak rozpoczęto badać naturę na poziomie nanocząsteczek, inspirowała ona inżynierów także w skali makro.

Architektura inspirowana naturą

Jednym z pierwszych i jednocześnie najsłynniejszych projektów zainspirowanych naturą był wybudowany w 1851 r. w Hyde Parku w Londynie Pałac Kryształowy.

Konstrukcja zaprojektowana przez Josepha Paxtona na Wielką Wystawę nie dotrwała do dzisiejszych czasów. Imponujący budynek stalowo-szklany wykonany w technologii prefabrykowanej został zniszczony w wyniku pożaru w 1936 r., jednak zapisał się w historii budownictwa i architektury [1, 2].

Rys. 1. Dolna powierzchnia liścia lilii wodnej  |  Fot. H. Hobhouse [2]

Fasada zaprojektowana przez Paxtona to efekt fascynacji właściwościami liści lilii wodnej (rys. 1) – ich stabilnością i wytrzymałością wynikającą z ich budowy – układu rozchodzących się promieniście żeber połączonych z żebrami prostopadłymi do nich, gęsto rozsianymi i charakteryzującymi się znaczną elastycznością. Przez kolejne lata Paxton eksperymentował z wykorzystaniem tej koncepcji, co ostatecznie w sposób efektywny i bardzo efektowny znalazło zastosowanie właśnie w konstrukcji fasady Pałacu Kryształowego (rys. 2) [1, 2].

Rys. 2. Fasada Pałacu Kryształowego  |  Fot. H. Hobhouse [2]

Z czasem dostrzegano coraz więcej proponowanych przez naturę skutecznych rozwiązań wielu problemów inżynierskich. Zintensyfikowało to badania oraz zwiększyło – w wyniku rozwoju technologii – ich dokładność. Kiedy natomiast pojawiła się możliwość nanoobserwacji, otworzyły się zupełnie nowe perspektywy rozwoju.

Nanoobserwacja natury

Wyniki badań fenomenów natury w skali nano bardzo szybko ukierunkowały rozwój inżynierii materiałowej. Zanim jednak stało się to możliwe, konieczne było dokładne poznanie mechanizmów pozwalających naturze harmonijnie funkcjonować.

Jednym z ciekawszych zjawisk występujących w przyrodzie jest tzw. efekt lotosu. Pierwsze badania dotyczące tego zagadnienia, czyli związku między chropowatością powierzchni a hydrofobowością, prowadzili w latach 40. ubiegłego stulecia Cassie i Baxter. Przełomu dokonał jednak dopiero profesor Barthlott wraz ze swoimi współpracownikami z Uniwersytetu w Bonn.

Badania prowadzone przez Barthlotta i Neinhuisa [3, 4] dowiodły, że Nelumbo nucifera (lotos orzechodajny) dzięki hydrofobowej powierzchni o mikroskopijnej chropowatości wykazuje zdolność samooczyszczania. Wykorzystywana jest w tym zjawisku zdolność kropli wody do przyjmowania dużej ilości wszelkich zanieczyszczeń, co przy niewielkiej powierzchni jej kontaktu z liściem powoduje, iż owe zanieczyszczenia spływają wraz z wodą. Podobną zdolność mają także niektóre zwierzęta i inne rośliny. Celem nanotechnologów stało się stworzenie materiałów, które będą wykazywać się podobnymi właściwościami.

Mechanizm samooczyszczania w przypadku powierzchni o mikroskopijnej chropowatości został przedstawiony na rys. 3–4.

Rys. 3–4. Schemat przedstawiający proces samooczyszczania na gładkiej (3) oraz chropowatej (4) powierzchni  |  Fot. „Ku europejskiej strategii…” [3]

Dziś zdolność samooczyszczania zwaną efektem lotosu wykorzystuje się w wielu produktach. Przykładem mogą być hydrofobowe farby do elewacji czy ceramika sanitarna. Efekt w obu przypadkach jest ten sam – znacznie łatwiejsze stało się utrzymanie czystości [3, 5].

Zobacz także: Przegląd systemów ociepleń

Innym cudem natury, nad którym musieli pochylić się naukowcy, jest zdolność gekona do poruszania się po ścianach czy nawet biegania po suficie. Tym fenomenem zajęli się pracownicy Instytutu Metalurgii Maxa Plancka w Stuttgarcie. Naukowcy odkryli, że niesamowita przyczepność łap gekona jest ściśle związana z działaniem sił van der Waalsa, które przecież są bardzo słabe.

Ponieważ jednak zachodzą one pomiędzy powierzchnią podłoża a setkami tysięcy keratynowych włosów lub szczeciny pokrywających łapy gekona, miejsc zaczepienia jest na tyle dużo, że utrzymanie ciężaru ciała zwierzęcia jest jak najbardziej możliwe. Wszystko to dzięki temu, że każdy z mierzących od 30 do 130 mm włosków składa się z setek 200–500 nm łopatek i wypustek. Przyczepność zwiększona jest jeszcze dzięki elektrycznym właściwościom końcówek włosków.

Fot. 1. Małż zakotwiony do stałej powierzchni  |  Fot. M. F. Ashby, P.J. Ferreira, D.J. Schodek [7]Prowadzone badania miały na celu nie tylko dokładniejsze poznanie mechanizmu, który pozwala gekonowi poruszać się niezależnie od grawitacji, ale także znalezienie odpowiedzi na to, jaka jest optymalna siła adhezji. Przecież by móc się poruszać, musi on być w stanie z dużą łatwością przerwać powstałe oddziaływanie.

Obserwacje pokazały, że gekonowi przymocowanie się do szklanej powierzchni zajmuje 40 ms, natomiast zerwanie oddziaływania pochłania zaledwie 66 ms [6].

Dorównanie naturze zawsze było zadaniem niezwykle trudnym i w tym wypadku również stworzenie produktów pozwalających w sposób efektywny wykorzystywać ten mechanizm nie jest rzeczą łatwą.

Pierwsze kroki zostały już jednak wykonane i wydaje się kwestią czasu, gdy i ten fenomen natury znajdzie zastosowanie w naszym codziennym życiu.

Równie interesującym produktem natury jest sieć pajęcza, której elastyczność i wytrzymałość są wręcz zadziwiające. Poznanie procesu jej wytwarzania z wodnego roztworu białek, który zachodzi w pajęczych kądziołkach podrzędnych, jest marzeniem wielu naukowców. Może kiedy wyjaśnione zostaną szczegóły tego procesu, uda się stworzyć nić o podobnych właściwościach.

Odtwórcze działanie jest w tym wypadku bardzo uzasadnione – wystarczy wspomnieć, że włókno pajęcze o grubości od 10 do 200 razy mniejszej niż ludzki włos ma wytrzymałość dwukrotnie większą od wytrzymałości stali, a nić pajęcza o grubości 1 mm może utrzymać ciężar dorosłego człowieka.

Wciąż trwają badania, które pozwolą znaleźć metodę wytwarzania syntetycznej nici pajęczej. Już opracowano pierwsze metody, z których jedna stworzona przez Nexia Biotechnologies polega na wytwarzaniu nici z białek ssaków zmodyfikowanych genetycznie.

Powstałe w ten sposób włókno jest niemal tak wytrzymałe, jak naturalna pajęczyna. Co ważne, otrzymywany w ten sposób produkt jest całkowicie biodegradowalny (składa się z białek). Przy dalszych postępach w tej dziedzinie może już niedługo protezy, nici chirurgiczne, sieci rybackie, kamizelki kuloodporne czy ubrania ochronne dla wojska i policji będą wykonane właśnie z pajęczyny.

Bardzo ciekawe umiejętności ma także jeden z przedstawicieli mięczaków. Mowa tu o małżu, który jest w stanie przeciwstawić się prądom morskim i zakotwić się pod wodą do stałej powierzchni (fot. 1).

Małż rozpoczyna proces kotwienia od ścisłego przylgnięcia do stałej powierzchni, a następnie tworzy czasową ochronę przed wodą dzięki wydzielanym proteinom.

Następnie buduje puste rowki, które później służą jako swego rodzaju forma.

Kolejnym krokiem jest wystrzelenie protein w kierunku stałej powierzchni, na której tworzą one twardą płytkę połączoną z małżem cienką nicią białkową. Wydzielane następnie płynne proteiny niczym klej wiążą twardą płytkę z podłożem. Sama nić proteinowa łącząca małża ze stałą powierzchnią wykazuje bardzo ciekawe właściwości – przy podłożu jest bardzo twarda, tymczasem im bliżej miejsca połączenia z małżem, tym większa jej elastyczność. Wynika to ze zmiennego poziomu koncentracji różnych białek na długości łączącej mięczaka ze stałą powierzchnią nici [7].

Problem tworzenia trwałych połączeń pod wodą jest od dawna badany przez naukowców, nic więc dziwnego, że zainteresowali się oni tym małżem – mistrzem w tej dziedzinie.

Fot. 2. Muszla abalona  |  Fot. Archiwa autorów

Wśród innych wzorców, którymi nanotechnolodzy zaczęli się interesować, trzeba wymieć m.in. muszle abalona (fot. 2–3). Ich wielowarstwowa struktura i duża odporność na pęknięcia inspirują naukowców. Wiele można się także nauczyć od rozgwiazdy Ophiocoma wendtii, której opancerzony korpus dzięki układowi mikrosoczewek tworzy jedno wielkie oko, pozwalające szybko zlokalizować potencjalne niebezpieczeństwo.

Fot. 3. Struktura muszli  |  Fot. Archiwa autorów

Poznanie zachodzących w naturze zjawisk na poziomie nanocząstek przyniosło i przynosi nowe pomysły, które są adaptowane w budownictwie i wielu innych gałęziach przemysłu. Samo zrozumienie tych procesów to jednak wciąż dopiero pierwszy krok. Naturę trzeba jeszcze potrafić naśladować, co nader często jest poważnym wyzwaniem.

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 4/2013

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Najlepszy system stropowy?


Betonowe stropy można produkować na różne sposoby – z betonu przygotowanego na placu budowy lub w fabryce, gdzie panują kutemu optymalne warunki. ZOBACZ »



Odkryj nowy wymiar bezpieczeństwa dla Twojego domu »

Żaluzje ceramiczne, szklane, wentylowane. Co wybrać?

Każdemu z nas zależy na zapewnieniu odpowiedniego bezpieczeństwa swoim bliskim i miejscu, które jest dla nas najważniejsze. Wybór...
czytaj dalej »

Które rozwiązanie sprawdzi się w Twoim przypadku? Jak ochronić wnętrze przed słońcem, hałasem lub zimnem? czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Izolacja natryskowa - co warto wiedzieć?

Dobierz najlepszy materiał izolacyjny »

Produkty polimocznikowe można stosować wszędzie tam, gdzie wymagana jest... czytaj dalej » Niski poziom ochrony cieplnej generuje wysokie koszty utrzymania budynku, stanowiące duże obciążenie budżetu... czytaj dalej »

Uszczelnianie trudnych powierzchni! Zobacz, jak to zrobić skutecznie »


Doszczelniając przegrodę od strony wewnętrznej budynku ograniczamy przenikanie pary wodnej do warstwy izolacyjnej, natomiast... ZOBACZ »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Jak wykonać trwałe posadzki?

Jakich technologii oraz materiałów użyć do wykonania podłóg przemysłowych, naprawy betonów lub przeprowadzenia renowacji posadzek?  czytaj dalej »


Dlaczego hydroizolacja budynków jest tak ważna?

Sprawdzony sposób na przyspieszenie ocieplenia »

W budynkach nowo wznoszonych barierę dla wody gruntowej stanowi hydroizolacja zewnętrzna ścian piwnic i izolacja pod płytą fundamentową... czytaj dalej » Jakiego produktu użyć, by aplikacja była łatwa, efektywność większa, a tempo pracy ekspresowe? czytaj dalej »

Czego użyć do izolacji podłóg, dachów i fasad?


Istotną różnicą pomiędzy styropianami białymi i grafitowymi jest ich odporność na ZOBACZ »


Najlepszy produkt na tynku termoizolacji? Sprawdź »

Jak dobrać posadzkę do obiektu?

Obniżona wartość λ pozwala zmniejszyć straty energetyczne oraz wydatki na eksploatacje budynków.
czytaj dalej »

Wybierz posadzkę, która będzie funkcjonalna i łatwa w czyszczeniu... czytaj dalej »

prof. dr hab. eur. inż. Tomasz Z. Błaszczyński
prof. dr hab. eur. inż. Tomasz Z. Błaszczyński
Ukończył Politechnikę Poznańską z wyróżnieniem. W 1989 r. otrzymał stopień dr. nauk technicznych, a w 2009 r. dr. hab. nauk technicznych w dziedzinie budownictwo. Od 2012 r. jest profesorem nadzwyc... więcej »
mgr inż. Błażej Gwozdowski
mgr inż. Błażej Gwozdowski
Ukończył Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej, specjalność konstrukcje budowlane. Jest asystentem Zakładu Budownictwa w Instytucie Konstrukcji Budowlanych WBiIŚ PP ... więcej »
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Triflex Polska Triflex Polska
Triflex zyskał na rynku europejskim pozycję lidera w zakresie opracowywania, kompleksowego doradztwa oraz zastosowania uszczelnień i powłok...
9/2019

Aktualny numer:

Izolacje 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Nowoczesne rozwiązania elewacyjne
  • - Jakość wykonania izolacji z szarego styropianu
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.