Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2019 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Nanotechnologia w budownictwie – wprowadzenie

Początki nanotechnologii | Osiągnięcia nanotechnologii | Nanotechnologia w budownictwie
Nanotechnologie w budownictwie – wprowadzenie </br> The issues of nanotechnology in construction – an introduction
Nanotechnologie w budownictwie – wprowadzenie
The issues of nanotechnology in construction – an introduction
L. Czarnecki

Nanotechnologia – technologia i produkcja bardzo małych przedmiotów na poziomie najmniejszych cząstek materii – jest wciąż bardzo młodą dziedziną nauki. Niemniej coraz trudniej wyobrazić sobie dalszy rozwój przemysłu (także rynku materiałów budowlanych) bez jej udziału.

Jeszcze na początku ubiegłego stulecia uważano, że atomy istnieją jedynie w ludzkiej wyobraźni (Ernest Mach). Niewiele ponad pół wieku później – 29 grudnia 1959 r. – wystąpienie noblisty Richarda Feynmana zatytułowane „There is plenty of room at the bottom” rozpoczęło na nowo dyskusję na temat tego, czy możliwe są działania molekularne.

Patrz też: Nanocementy i nanobetony

Dziś rewolucyjne tezy amerykańskiego fizyka znajdują potwierdzenie, a nanotechnologia rozwija się w zawrotnym tempie. Dowodem na to jest chociażby przyznanie w 1996 r. Richardowi Smalleyowi oraz Haroldowi Kroto Nagrody Nobla za odkrycie fulerenów – cząsteczek składających się z parzystej liczby atomów węgla i tworzących bryłę pustą w środku.

Cztery lata po otrzymaniu nagrody Smalley powiedział znamienne słowa: „Nanotechnologia jest sztuką finezyjnego budowania: atom po atomie” [1].  

ABSTRAKT

W artykule omówiono genezę, największe osiągnięcia i kierunki rozwoju nanotechnologii. Poruszono kwestie wykorzystania osiągnięć nanotechnologii w inżynierii materiałów budowlanych, a także możliwości jej stosowania w obserwacji podstawowych procesów. Autorzy podjęli również temat szans i zagrożeń tej techniki dla człowieka i środowiska naturalnego.

The article discusses the genesis, the greatest achievements and development perspectives of nanotechnology. It also raises the subject of employing nanotechnology achievements in engi­neering of construction materials, as well as the possibility to use it in order to observe the basic processes. The authors also pursue the subject of both opportunities and risks that this technology presents to both man and environment.

Początki nanotechnologii

Terminu „nanotechnologia” po raz pierwszy użył w 1974 r. japoński naukowiec z Tokyo University of Science – Norio Taniguchi. Stwierdził on, że: „Nanotechnologia jest produkcją z wykorzystaniem technologii w celu osiągnięcia bardzo wysokiej dokładności i wyjątkowo małych wymiarów, tzn. precyzji rzędu 1 nm”. Definicja ta jest nadal stosowana.

Do nanotechnologii przyjęło się zaliczać wszelkie działania na cząsteczkach mniejszych niż 100 nm (1 nanometr – jedna miliardowa metra). Aby zobrazować skalę, wystarczy uświadomić sobie, że ludzki włos ma przeciętnie od 20 tys. do 80 tys. nanometrów, a 1 nm to 10 atomów wodoru ułożonych jeden na drugim, 100 nm zaś ma się tak do piłki nożnej, jak ta piłka do kuli ziemskiej.

Od pomysłu, by zająć się twórczym działaniem naukowym na poziomie atomów, do pierwszych efektów takiego działania była jednak długa droga.

Barierą stały się możliwości dostępnego sprzętu. Pierwszym krokiem było stworzenie przyrządów analitycznych umożliwiających oglądanie skomplikowanych, nanoskopowych elementów żywej materii.

Czerpane z przyrody ożywionej pomysły wciąż jednak nie mogły się doczekać realizacji [2, 3]. Dopiero odkrycie w latach 80. ubiegłego stulecia skaningowego mikroskopu tunelowego pozwoliło na obrazowanie atomów, a nawet na ich przesuwanie w krysztale.

Osiągnięcia nanotechnologii

Korzyści ze stosowania nanotechnologii dotyczą wielu dziedzin życia [2]. Otwiera ona przed przemysłem zupełnie nowe możliwości – szansę na produkowanie mniejszych, lżejszych i bardziej wydajnych materiałów, podzespołów i systemów.

Wielkim wkładem nanotechnologii w inżynierię materiałową jest przede wszystkim odkrycie nowych odmian alotropowych węgla (rys. 1–6).

Warto przeczytać: Ochrona powierzchniowa betonu

Pierwszym rewolucyjnym odkryciem były fulereny – cząsteczki o unikatowych właściwościach fizykochemicznych [5], stosowane obecnie w wielu dziedzinach, m.in. w:

  •  biomedycynie (w chemii i terapii medycznej),
  •  optyce (domieszkowane C60 kompozyty polimerowe, filtry optyczne),
  •  elektronice i elektryce (tranzystory, diody, heterozłącza, urządzenia fotowoltaiczne, fotorezystory),
  • elektrochemii (magazynowanie wodoru, ogniwa odwracalne i nieodwracalne),
  • inżynierii materiałowej (synteza diamentów, promotory wzrostu cienkich warstw, katalizatory, monowarstwy, nowe reagenty chemiczne),
  • a także przy budowie czujników, membran, pokryć końcówek sond w mikroskopii elektronowej czy naciągów do rakiet tenisowych [5].

W 1991 r. Sumio Iijima odkrył inną ważną odmianę węgla – nanorurki węglowe (NRW). Struktury te mają wiele zastosowań, także w przemyśle budowlanym.

Służą m.in. do:

  • wzmacniania metali, ceramiki i zapraw cementowych,
  • zwiększenia przewodności elektrycznej materiałów,
  • zapobiegania powstawaniu i rozwojowi rys w betonie,
  • produkcji nanokompozytów i kompozytów węglowych.

Obecnie niezwykle istotne jest stworzenie odpowiednich warunków do rozwoju nanotechnologii i ułatwienie przemysłowi korzystania z nowych osiągnięć. Kładzie się więc duży nacisk na opracowanie nowych procesów i produktów.

Świadczy o tym m.in. publikacja Komisji Europejskiej pt. „Ku europejskiej strategii w zakresie nanotechnologii” z maja 2004 r. [6]. W komunikacie tym poruszono wiele ważnych kwestii związanych m.in. z bezpieczeństwem, finansowaniem i promocją nanotechnologii, a także edukacją i współpracą międzynarodową.

Nanotechnologia w budownictwie

Z punktu widzenia przemysłu budowlanego najlepszą definicję nanotechnologii podaje raport Nanoforum „Nanotechnologia i budownictwo” [7]. W dokumencie tym opisano nanotechnologię jako „rozwojową technologię, która pozwala nam tworzyć materiały charakteryzujące się ulepszonymi lub całkiem nowymi właściwościami”.

Potrzebujesz więcej TREŚCI?

Odbierz TUTAJ
IZO-newsletter »

Nanotechnologia umożliwia poprawę parametrów najważniejszych materiałów budowlanych – betonu i stali. Przykładem może być modyfikacja struktury żelu krzemianu wapnia C-S-H, który jest odpowiedzialny za mechaniczne i fizyczne właściwości zaczynu cementowego, takie jak skurcz, pełzanie, porowatość, przepuszczalność czy sprężystość [7].

Dzięki zmianom C-S-H można uzyskać mniejszą porowatość i przepuszczalność, a więc zwiększyć trwałość betonu. Poprawienie właściwości stali i betonu oraz możliwość tworzenia nowych materiałów budowlanych to najistotniejsze korzyści wpływu nanotechnologii na rozwój budownictwa.

W przemyśle budowlanym stosowane są bardzo różne formy nanostruktur. Aby omówić tę grupę cząstek, należy najpierw zdefiniować pojęcie nanocząstek. Najczęściej są one określane jako mikroskopijne cząstki, których wymiary mierzone są w nanometrach.

Zwykle jako maksymalną wartość graniczną wymiarów przyjmuje się 200 nm, choć coraz częściej mówi się także o wymiarach mniejszych niż 100 nm [7–8]. Podstawowa klasyfikacja nanocząstek dzieli je właśnie z uwagi na ich wymiary. Wyróżnia się nanocząstki zerowymiarowe, jednowymiarowe, dwuwymiarowe oraz trójwymiarowe (rys. 7–10).

Zgodnie z tą klasyfikacją nanomateriały można podzielić również na trzy klasy: dyskretne nanoobiekty, powierzchniowe materiały nanofunkcjonalne i makroskopowe materiały nanokonstrukcyjne (tabela 1).

Opracowano wiele sposobów otrzymywania nanocząstek różnych klas i o różnej wymiarowości. Wśród podstawowych podejść należy wymienić trzy.

Pierwszym jest działanie top down, które polega na rozdrabnianiu materiałów makroskopowych i stopniowym redukowaniu cząstek do rzędu nano. Podejście pośrednie – intermediate – zakłada podobne działanie, ale proces rozpoczyna się przy cząstkach mikronowych. Ostatnim podejściem jest budowanie od podstaw – bottom up – czyli tworzenie nanostruktur przez agregację [4, 9] (tabela 2, rys. 11).

ZOBACZ TAKŻE
Jak obniżyć koszty ogrzewania budynku?
Jak obniżyć koszty ogrzewania budynku?
Pobierz ZA DAMO PDF!

Pozyskiwane różnymi metodami nanocząstki mogą być wykorzystywane do modyfikacji istniejących materiałów. L. Czarnecki [4] zauważa, że istotny wpływ na to ma wyjątkowa budowa nanocząstek, a dokładnie duży udział atomów powierzchniowych, które:

  • przejawiają większe podobieństwo do innych atomów;
  • mają zmienione odległości międzyatomowe i zwiększoną objętość właściwą;
  • charakteryzują się gęstością stanów elektronowych;
  • wykazują zmieniony rozkład spinów magnetycznych.

Nanotechnologia w inżynierii materiałów budowlanych obejmuje wiele działań, które podzielić można na trzy podstawowe grupy: obserwację, modyfikację i tworzenie (rys. 12).

Ich efektem ma być przede wszystkim poprawa właściwości materiałów budowlanych. Rys. 13–14 [9] pokazują, że wykorzystanie nanocząstek daje znaczną poprawę właściwości mechanicznych: sprężystości i wytrzymałości na rozciąganie. Odpowiadają za to głównie metalowe i węglowe nanostruktury oraz nanokompozyty.

Uzyskanie materiałów o znacznie większej sztywności i wytrzymałości to jednak nie wszystko – nanotechnologia daje również możliwość tworzenia materiałów budowlanych o niespotykanych do tej pory właściwościach fizycznych i chemicznych.

Spektakularnym przykładem jest aerożel – materiał mający doskonałe właściwości termoizolacyjne. Wynaleziono go wiele lat temu, jednak dopiero niedawno opracowano dogodne metody jego produkcji, pozwalające na uzyskanie pożądanych właściwości mechanicznych. Dzięki porowatości dochodzącej nawet do 99,8% oraz wielkości porów poniżej 100 nm zminimalizowano wpływ konwekcji i promieniowania na przewodzenie [11].

Inne przykłady to dodawanie domieszek cząstek dwutlenku tytanu, które przy odpowiednim rozproszeniu czynią powierzchnię samozmywalną [12]. Istotną rolę w rozwoju inżynierii materiałów budowlanych odgrywa także nanosrebro, które chroni powierzchnie przed rozwojem bakterii i grzybów. Nowe pomysły przynosi nanobserwacja rozwiązań występujących w naturze, np. fenomenu wytrzymałości sieci pajęczej, właściwości lotosu czy tzw. efektu gekona [2, 9].

Kluczowe znaczenie ma też cel wymienionych działań, który wynika ze specyfiki produkcji budowlanej związanej z przetwarzaniem ogromnych ilości materii, a wiążącej się z bardzo dużym zużyciem energii.

Oczekiwanym (i możliwym do uzyskania) efektem wykorzystania nanotechnologii na potrzeby budownictwa jest ograniczenie zużycia energii i produkcji odpadów [4, 9]. Dotyczy to zwłaszcza użycia podstawowych materiałów: betonu i stali, których procesy produkcyjne charakteryzują się dużą energochłonnością.

Czytaj dalej Zagrożenia związane z rozwojem nanotechnologii

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 2/2013

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Na czym polega ciepły montaż okien?


Montaż taki pozwala wyeliminować mostki termiczne powstające na łączeniu muru z oknem... ZOBACZ »


Zarabiaj pieniądze sprzedając prąd »

Kiedy i gdzie stosować płyty warstwowe?

Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego... czytaj dalej »

Panele wybierane są przez wielu architektów jako elementy wieńczące i tworzące... czytaj dalej »

Sprawdzone sposoby na ocieplenie i izolację budynku »


Konieczność ocieplania ścian zewnętrznych wynika nie tylko ze względów ekonomicznych – im lepiej izolowane ściany, tym... ZOBACZ »


Na czym polegają prace uszczelniające?

Wszystko o izolacjach technicznych »

Prace uszczelniające mają na celu odcięcie niebezpiecznych materiałów, substancji lub po prostu... czytaj dalej » Produkty przeznaczone do instalacji klimatyzacyjnych i wentylacyjnych, jak i... czytaj dalej »

Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr...
czytaj dalej »


Od czego zacząć termomodernizację domu? Co zrobić, aby uzyskać dotację?

Czego użyć do naprawy balkonu lub tarasu?

Jak dzięki termomodernizacji zmniejszyć zuzycie energii na ogrzewanie domów nawet o 69%?.. czytaj dalej » Nawierzchnia drenażowa typu kamienny dywan powstaje z połączenia naturalnego kruszywa marmurowego... czytaj dalej »

Chemia budowlana - porady ekspertów »


Masz wątpliwości i pytania jak rozwiązać Twój problem techniczny? Dobierz stosowną technologię do Twoich potrzeb... ZOBACZ »


Czego użyć do izolacji dachu?

Chcesz zaoszczędzić nawet 30% na zużyciu energii?

Rozwiązaniem, które zapewnia optymalne zaizolowanie są... czytaj dalej » Oprócz niższych rachunków za energię mamy zdecydowanie wyższy komfort mieszkania... czytaj dalej »

Jak zrobić spadki na balkonie i tarasie?


Dach, balkon czy taras jest płaski, a więc jak wygląda kwestia odwodnienia? ZOBACZ »


Co warto wiedzieć o systemach natryskowych?

Jak zabezpieczyć budynek przed wilgocią?

Budynek ocieplony pianką jest szczelny akustycznie a przede wszystkim... czytaj dalej »

Wilgoć pojawiająca się w budynku i związana z nią pleśń szkodzą naszemu zdrowiu, powodują wyższe rachunki za ogrzewanie i niszczą mury... czytaj dalej »

Planujesz wymianę dachu? Sprawdź »


Dzięki lekkości dachówek nie ma potrzeby wzmacniania Twojej starej struktury dachowej. W niektórych przypadkach jest nawet... ZOBACZ »


Elewacja, która wygląda jak drewno, marmur czy kamień »

Jak budować energooszczędnie?

Ładna fasada stanowi wizerunek budynku. Estetyczny wygląd elewacji często... czytaj dalej »

Przekonaj się, jakie rozwiązania sprawdzą się w nowoczesnym, energooszczędnym budownictwie... czytaj dalej »

Ekspert Budowlany - zlecenia

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 »
7/8/2020

Aktualny numer:

Izolacje 7/8/2020
W miesięczniku m.in.:
  • - Tarasy wentylowane
  • - Zastosowanie kruszyw lekkich
Zobacz szczegóły
Flowcrete Polska Sp. z o.o. Flowcrete Polska Sp. z o.o.
Flowcrete Polska Sp. z o.o. Jesteśmy producentem i dystrybutorem materiałów do wykonywania bezspoinowch posadzek żywicznych -...
Dlaczego warto zadbać o balkon i taras?

Dlaczego warto zadbać o balkon i taras?

Trudno wyobrazić sobie nowoczesny dom bez jego wizytówki, czyli balkonu lub tarasu. Elementy te stanowią dodatkową powierzchnię, która pozwala na chwilę oddechu na...
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

.