Nanotechnologia w budownictwie – wprowadzenie

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.

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].  

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).

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”.

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).

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.

Zagrożenia związane z rozwojem nanotechnologii

Rozwój nanotechnologii przynosi oczywiste korzyści dla przemysłu, ale wzbudza także obawy związane z wpływem nanocząstek na zdrowie ludzi i środowisko. Szybki postęp w dziedzinie wytwarzania nowych nanomateriałów i brak stosownych regulacji prawnych dodatkowo utrudniają uzyskanie informacji na temat ewentualnych zagrożeń.

Problem ten poruszany jest coraz częściej w literaturze [13–15], a wnioski z kolejnych raportów wskazują na konieczność rozwoju takich badań.

Komitet naukowy ds. zagrożeń dla zdrowia Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENHIR) w opinii dotyczącej oceny ryzyka wiążącego się z nanotechnologią [14] zwraca uwagę na potrzebę:

• rozwoju i rozpowszechniania analizy in vitrow badaniach nanomateriałów;
• rozwoju technik obliczeniowych i statystycznych QSAR (ilościowej zależności między strukturą a reaktywnością), które wykorzystywane są do przewidywania aktywności biologicznej związków; odbywa się to bez metod modelowania molekularnego – tylko na podstawie badania ich struktury;
• badania wpływu nanocząstek na układ krążenia człowieka;
• badania genotoksyczności;
• prognozowania zagęszczenia w środowisku;
• oceny toksyczności w stosunku do środowiska.

Należy zdawać sobie sprawę z tego, że niektóre właściwości nanocząstek mogą odpowiadać za toksyczność materiałów. Dlatego tak istotne jest badanie i opis cech struktur: wielkości, kształtu, stanu aglomeracji, krystaliczności, aktywności chemicznej i charakterystyki powierzchni.

Szczególnie niebezpieczne mogą być pojedyncze nanocząstki, które są w stanie dotrzeć do krwi, rozpuścić się w niej i przedostać się do różnych narządów. Ich możliwa reaktywność może prowadzić do zmian w organizmie człowieka.

Dodatkowym zagrożeniem jest także podatność nanocząstek na interakcje z otoczeniem, co może powodować, że materiał finalny będzie miał inne, niepożądane właściwości (rys. 15) [14–15].

Niezbędne jest również wprowadzenie odpowiedniego systemu kontroli w zakładach produkcji oraz stworzenie takich warunków pracy w tych ośrodkach, aby zminimalizować zagrożenie dla pracowników i środowiska. Priorytetem jest uniemożliwienie przedostawania się do środowiska nanozanieczyszczeń, ponieważ ich wpływ na otoczenie jest dopiero badany.

Podsumowanie

Korzyści z tworzenia nanomateriałów i nanomodyfikacji istniejących wyrobów są bardzo duże. Aby je w pełni wykorzystać, należy uregulować procesy produkcji.

Bardzo ważne są także odpowiednia kontrola produkcji oraz sukcesywne badanie i opisywanie cech charakterystycznych stosowanych nanomateriałów.

Dzięki tym czynnościom rozwój nanotechnologii nie będzie wiązał się z zagrożeniem dla ludzi i środowiska.

Literatura

1. GENNESYS – International Congress on Nanotechnology and Research Infrastructures, „GENNESYS White Book” (Dosch H., Van de Voorde M.H. eds.), Max-Planck Institute for Metals Research, Stuttgart 2010.
2. M. Schulenburg, „Nanotechnologia. Innowacja dla świata przyszłości” (broszura Komisji Europejskiej),Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, Luksemburg 2007.
3. „Springer Handbook of Nanotechnology”, ed. by B. Bhushan, Springer – Verlag Heidelberg, Berlin 2010.
4. L. Czarnecki, „Nanotechnologia w budownictwie”, „Przegląd Budowlany”, nr 1/2011, s. 40–53.
5. A. Huczko, „Fulereny i nanorurki”, „ACADEMIA”, nr 2 (6)/2006, s. 16–19.
6. Komunikat Komisji Wspólnot Europejskich „Ku europejskiej strategii dla nanotechnologii”, Bruksela, 12.05.2004.
7. European Nanotechnology Gateway – Nanoforum Report: „Nanotechnology and Construction”, Nanoforum.org, 2006.
8. M. Köhler, W. Fritzsche, „Nanotechnology. An Introduction to Nanostructuring Techniques”, Wiley, Weinheim 2007.
9. M.F. Ashby, P.J. Ferreira, D.J. Schodek, „Nanomaterials, Nanotechnologies and Design. An Introduction for Engineers and Architects”, Elsevier, China 2009.
10. R.W. Kelsall, J.W. Hamley, M. Geoghegan, „Nanotechnologie” (tłum. i red. K. Kurzydłowski), PWN, Warszawa 2008.
11. Aspen Aerogels/Aerogels Poland Nanotechnology, „Aerożel”, „Builder”, nr 7/2010, s. 58–60.
12. R. Benedix, F. Dehn, J. Quaas, M Orgass, „Application of Titanium Dioxide Photocatalysis to Create Self-Cleaning Materials”, „Lacer”, nr 5/2005, s. 157–167.
13. R. Owen, M. Depledge, „Nanotechnology and the environment: Risks and rewards”, „Marine Pollution Bulletin”, nr 50/2005, s. 609–612.
14. Opinia SCENIHR: „Risk Assessment of Products of Nanotechnologies”, UE 2009.
15. Raport Lloyd’s: „Lloyd’s Emerging Risks Team Report. Nanotechnology. Recent Developments, Risks and Opportunities”, 2007.
16. R. Molins, „Opportunities and Threats from Nanotechnology in Health, Food, Agriculture and the Environment”, „Comuniica Magazine”, nr 1/2008, s. 38–53

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!