Nanotechnologie w budownictwie – naśladowanie natury

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].

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].

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.

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].

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.

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.

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.

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.

Nanotechnologia inspirowana naturą

Naśladowanie natury w inżynierii materiałowej nie jest zadaniem łatwym. Nawet bardzo dogłębne poznanie sekretów chemicznych i fizycznych zaobserwowanych zjawisk to wciąż dopiero początek długiej drogi. Są jednak przykłady, że zmierzanie w tym kierunku może przynieść bardzo ciekawe efekty.

Zdolność lotosu orzechodajnego to jedno z rozwiązań stworzonych przez naturę, które doczekało się skutecznie funkcjonującej imitacji wykorzystywanej w przemyśle budowlanym.

Impregnaty i powłoki z efektem lotosu mają unikalne właściwości.

Są to materiały:

• przeciwdziałające przywieraniu,
• samooczyszczające się pod wpływem wody,
• antybakteryjne,
• odporne na działanie temperatur, promieniowania UV i na uszkodzenia mechaniczne,
• nieszkodliwe dla skóry.

Mechanizm działania jest bardzo zbliżony do tego, który stworzyła natura na potrzeby lotosu.

Polega on na tym, że krople wody toczą się po elewacji niczym kule po szklanej płycie i w efekcie zabierają ze sobą brud (rys. 5–7).

Efekt lotosu w farbach i tynkach został osiągnięty dzięki połączeniu właściwości hydrofobowych farb silikonowych z mikrostrukturą o drobnej chropowatości.

Ponadto producenci powłok hydrofobowych z efektem lotosu deklarują, iż cechują się one bardzo dobrymi właściwościami w zakresie fizyki budowli oraz bardzo dobrą przepuszczalnością dwutlenku węgla. Powłoki tego typu są uniwersalne i można je stosować na bardzo różnych podłożach – nadają się do tynków cementowych, cementowo-wapiennych i wapiennych, a także akrylowych, silikonowych, silikatowych, wymurówek licowych z piaskowca i cegły ceramicznej.

Również starsze budynki pokryte już farbami wapiennymi, cementowymi, silikatowymi, akrylowymi czy silikonowymi mogą być odnawiane przy użyciu farb tworzących powłokę hydrofobową – produkty tego typu znajdą więc zastosowanie także przy renowacjach budynków zabytkowych [8].

Produkowanych jest wiele różnych rodzajów farb hydrofobowych i znajdują one zastosowanie m.in. do:

• ceramiki – zapewniają optymalne warunki higieniczne,
• stali szlachetnej – stanowią ochronę przed korozją,
• okien (szyb) – umożliwiają samooczyszczanie,
• drewna, kamienia – zapewniają ochronę przed mchami i spalinami,
• wykładzin podłogowych – łatwość do utrzymania w czystości,
• produktów i technologii antygraffiti – umożliwiają zmywanie niechcianych malunków wodą pod ciśnieniem.

Oprócz farb i powłok hydrofobowych produkowane są także preparaty bezbarwne, które zabezpieczają powierzchnię przed wnikaniem do porów zanieczyszczeń. Jednocześnie nie zakłócają procesu oddychania powierzchni. Dzięki zastosowaniu tego typu środków pozbycie się wszelkich nieczystości nie wymaga żadnych specjalnych detergentów – podobnie jak w przypadku farb hydrofobowych zanieczyszczenia można spłukać za pomocą wody.

Nanoobserwacja przyczyniła się do rozwoju nie tylko inżynierii materiałów. Czerpią z niej również projektanci konstrukcji i architekci. Imponującym przykładem jest wzniesiony w Wielkiej Brytanii ogród botaniczny Eden Project [9, 10, 11]. Konstrukcja została zaprojektowana przez Nicholasa Grimshawa, inspiracją zaś do stworzenia zespołu kopuł była budowa baniek mydlanych (fot. 4) oraz pyłków zbóż, promienic i cząsteczek węgla.

Na podstawie obserwacji tych naturalnych struktur projektanci doszli do wniosku, że najbardziej efektywne będzie użycie sześciokątów i pięciokątów do kształtowania bryły kopuły. Na podstawie obserwacji natury stworzono także bardzo wytrzymały polimer ETFE, który został zastosowany do konstrukcji kopuł (fot. 5).

Efekty naśladownictwa w tym wypadku były imponujące – wyraźnie zmniejszono ciężar konstrukcji, zmniejszono fundamenty, a obliczenia wykazały, że przekrycie ma mniejszy ciężar niż powietrze pod nim ukryte.

Kopuły ogrodu botanicznego Eden Project to tylko jeden z wielu przykładów naśladownictwa natury w architekturze i projektowaniu konstrukcji. Do budowy zadaszeń wykorzystuje się strukturę muszli abalona, a także liści olbrzymich lilii wodnych, a konstrukcje mostów przypominają budowę komórek roślinnych.

Podsumowanie

Wiele pomysłów, których źródłem była natura, znalazło zastosowanie w konstrukcjach budowlanych i produkcji materiałów budowlanych.

Wciąż jednak inne gałęzie przemysłu czerpią znacznie więcej korzyści z zastosowania nanotechnologii naśladującej naturę. Ponadto nadal nie udało nam się skopiować wielu rozwiązań, czego doskonałym przykładem jest sieć pajęcza – tworzone przez nas imitacje nie tylko nie osiągają właściwości pierwowzoru, ale nawet się do niego nie zbliżają. Dalszy zrównoważony rozwój nanotechnologii daje jednak wielkie nadzieje na to, że przy jej wykorzystaniu uda się znacząco ograniczyć zużycie energii i zasobów naturalnych w przemyśle budowlanym. 

Literatura

1. A.G. Davies, J.M.T. Thompson, „Advances in Nanoengineering. Electronics, Materials and Assembly”, Imperial College Press, 2007.
2. H. Hobhouse, „The Crystal Palace and the Great Exhibition: Science, Art and Productive Industry: The History of the Royal Commission for the Exhibition of 1851”, Bloomsbury Academic, King’s Lynn – Norfolk 2002.
3. Komunikat Komisji Wspólnot Europejskich „Ku europejskiej strategii dla nanotechnologii”, Bruksela, 12.05.2004.
4. W. Barthlott, C. Neinhuis, „Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces”, „Planta”, 1997, Volume 202, Issue 1, pp. 1–8.
5. M. Schulenburg, „Nanotechnologia. Innowacja dla świata przyszłości”, Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, Luksemburg 2007.
6. H. Gao, X. Wang, H. Yao, S. Gorb and E. Arzt, „Mechanics of hierarchical adhesion structure of gecko”, „Mechanics of Materials”, 2005, Volume 37 (2–3), pp. 275–285.
7. M.F. Ashby, P.J. Ferreira, D.J. Schodek, „Nanomaterials, Nanotechnologies and Design. An Introduction for Engineers and Architects”, Elsevier, Oxford 2009.
8. „Powłoki elewacyjne z efektem lotosu”, strona internetowa: www.sto.pl
9. „The Eden Project – Worlds Largest Geodesic Greenhouse?”, strona internetowa: http://geodesicgreenhouse.org
10. M. Pawlyn, „Geniusz natury w architekturze” [wykład], Londyn 2010, strona internetowa: http://www.ted.com
11. PTW, „Bubbles”, strona internetowa: www.eikongraphia.com

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!