Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [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


Innowacyjny system kompozytowych wzmocnień konstrukcji »


W przypadku gdy temperatura przekroczy temperaturę zeszklenia, wówczas żywica nie jest... ZOBACZ »


Szukasz materiałów budowlanych dobrej jakości?

Dobierz najlepszy materiał izolacyjny »

Obok wiedzy na temat produktów, równie istotna jest znajomość technologii, którą... czytaj dalej » Niski poziom ochrony cieplnej generuje wysokie koszty utrzymania budynku, stanowiące duże obciążenie budżetu... czytaj dalej »


Opłacalność paneli fotowoltaicznych - najnowsze informacje i porady »

Uszczelnianie obiektów inżynieryjnych - jak to robią specjaliści?

W przyszłym roku nastąpią znaczne podwyżki cen energii elektrycznej, dlatego też warto zastanowić się nad montażem paneli fotowoltaicznych.
czytaj dalej »

Jak prawidłowo chronić ściany fundamentwe i zapewnić gwarancję żywotności obiektu? 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 »

 


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 »

Jak mocować elewacje wentylowane?


Jak w realnych warunkach zachowują się różne systemy mocowań elewacji wentylowanych? ZOBACZ »


Zgarnij bony o wartości 100zł. Zobacz jak »

Jak dobrać posadzkę do obiektu?

3 kroki do Super CashBack
czytaj dalej »

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

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 »


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 »
Alpha Dam Alpha Dam
O FIRMIE Alpha Dam Sp. z o.o. produkuje od ponad 10 lat profesjonalne materiały wodochronne i przeciwwilgociowe dla budownictwa.  Do 2008...
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

.