در حال حاضر خالی است: 0 تومان
دنیای سازه‌های نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان‌سازی
نانوفناوری به عنوان یکی از جذاب‌ترین و در عین حال پیچیده‌ترین حوزه‌های علمی در دنیا به شمار می‌رود که پیشرفت آن می‌تواند به‌زودی تمام جنبه‌های زندگی انسان‌ها را دگرگون سازد. در سال‌های اخیر، صنعت ساختمان‌سازی نیز از این تکنولوژی بی‌نصیب نمانده و در تولید مواد ساختمانی جدید و بهینه‌سازی مصالح موجود از دستاوردهای نانوتکنولوژی بهره‌مندی داشته است. در این مقاله، به بررسی کاربردهای این فناوری در مصالح ساختمانی و بخش‌های مختلف خواهیم پرداخت و با خصوصیات و عملکرد ساختارهای مهم آن آشنا خواهیم شد. اگر به فناوری نانو و تأثیر آن در صنعت ساخت و ساز علاقه‌مند هستید، مطالعه این مقاله به شما پیشنهاد می‌شود!
استفاده از فناوری نانو در صنعت ساختمان‌سازی، افق‌های جدیدی را به روی این حوزه می‌گشاید. مقاومت و طول عمر بالای مصالح تولیدی با تکنولوژی نانو به همراه وزن کم آن‌ها، توجه‌های زیادی از سوی فعالان این صنعت را به خود جلب کرده است.
کاربرد فناوری نانو در ساختمان
استفاده از فناوری نانو در صنعت ساختمان‌سازی، افق‌های جدیدی را به این حوزه معرفی می‌کند. هرچند در حال حاضر قیمت پروفیل‌ها و دیگر مصالح تولیدشده با این فناوری بالاست، اما نمی‌توان مزیت‌های فراوان آن را در صنعت ساختمانی نادیده گرفت. دوام و عمر طولانی محصولات تولیدی با فناوری نانو، به همراه وزن کم آن‌ها، نظر فعالان ساخت‌وساز را به خود معطوف کرده است. هم‌اکنون، بیشتر محصولات ساختمانی تولیدشده با فناوری نانو به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- مصالح ساختمانی بتنی : بتن و سیمان از رایج‌ترین مصالحی هستند که نانوفناوری برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها به کار رفته است. استحکام بتن به واسطه وجود کریستال‌های ریز در ساختار آن شکل می‌گیرد که به یکدیگر متصل شده‌اند. این ساختار با استفاده از پیونددهنده‌های نانو قوی‌تر و بادوام‌تر می‌شود و خواص جدیدی به آن افزوده می‌شود.
- عایق‌های حرارتی و کاهنده‌های صدا : یکی از مهم‌ترین چالش‌های صنعت ساخت‌وساز، گرمادهی به سازه‌های مسکونی و صنعتی است و استفاده از عایق‌های تولیدشده با فناوری نانو می‌تواند به رفع این مشکل کمک کند. در سازه‌های قدیمی، نصب عایق‌های مرسوم به ضخامت حدود 20 سانتی‌متر ممکن نیست؛ فناوری نانو به سادگی این امکان را فراهم می‌آورد تا ساختمان‌های قدیمی به‌طور مناسب عایق‌بندی شوند.
- پوشش‌های سطحی : در حال حاضر محصولاتی متنوع بر پایه فناوری نانو در بازار ارائه شده‌اند که با استفاده از آن‌ها می‌توان عملکرد سطوح مختلف را ارتقا بخشید. رنگ‌های مخصوص نمای ساختمان، شیشه‌های پنجره، کاشی‌های سقف، پوشش‌های ضدآب و ضدگرافیتی، از جمله محصولات تولیدشده با فناوری نانو هستند که عمدتاً بر ویژگی‌های خودپاک‌کن و مقاومت در برابر نفوذ آب تمرکز کرده‌اند.
- محصولات ضدحریق : شیشه‌های مقاوم در برابر آتش از دو لایه شیشه تشکیل شده‌اند که ماده درونی آن‌ها از جنس سیلیسیم دی‌اکسید در مقیاس نانو بوده و در صورت حریق، کف می‌کند. این شیشه‌ها بسیار نازک و سبک‌اند و می‌توانند حرارت بالای 1000 درجه سانتی‌گراد را به مدت 120 دقیقه تحمل کنند. همچنین، در زمینه پلاستیک‌ها نیز می‌توان با افزودن ذرات نانوساختاری سیلیکات، خاصیت مقاومت در برابر حرارت و شعله را ایجاد کرد.
معرفی سازه‌های هوشمند نانو در ساختمان‌سازی
مواد هوشمند، سازه‌هایی هستند که قابلیت درک و فعال شدن برای انجام فعالیت‌های خاص را دارا می‌باشند. این مصالح می‌توانند به‌خوبی با تغییرات محیطی سازگار شوند و در برخی موارد، تخریب و نقص‌های ایجاد شده در ساختار خود را پیش‌بینی و برطرف کنند. خصوصیات ظاهری، سختی، فرکانس، رنگ و دیگر ویژگی‌های مواد هوشمند، تحت تأثیر الکتریسیته یا میدان‌های مغناطیسی دستخوش تغییر می‌شوند. فناوری نانو در ساخت سازه‌های هوشمند، تحولاتی اساسی در این مصالح ایجاد کرده است. مواد نانوساختاری به‌کار رفته در این سازه‌های هوشمند شامل انواع زیر هستند:
- نانوذرات : نانوذرات نقره، سیلیسیم دی‌اکسید و تیتانیوم دی‌اکسید از متداول‌ترین نانوذرات در تولید پوشش‌های نمای ساختمان محسوب می‌شوند. کاربرد این نانوذرات به ایجاد خواص آنتی‌باکتریال و افزایش مقاومت در برابر اشعه فرابنفش منجر می‌شود. همچنین، ترکیب رنگ‌های رزینی با نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید مانع از چسبیدن چربی و آلودگی به سطوح خواهد شد.
- نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها : نانولوله‌های کربنی از ورق‌های نازک گرافن ساخته شده‌اند و به دلیل وجود ویژگی‌های مکانیکی ویژه، کاربردهای گسترده‌ای در تولید نانوکامپوزیت‌های ساختمانی
- نانوفیلم‌ها : نانوفیلم‌ها جزء نانومواد دوبعدی محسوب می‌شوند و معمولاً به عنوان پوشش سطحی در مواقعی که ترکیب یا خواص مکانیکی نیاز به تغییر دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ساختارها نیز برای تولید پوشش‌های قابل مقاومت در برابر خراش، پوشش‌های کم‌اصطکاک و موادی با ضریب شکست پایین به کار برده می‌شوند.
- نانومواد حجیم : این مواد ابعاد سه‌بعدی در مقیاس نانو دارند. از ویژگی‌های بارز این ساختارها می‌توان به نسبت استحکام به وزن بالا، نرخ کرنش مناسب و شکل‌پذیری در دمای پایین اشاره کرد که آن‌ها را برای کاربرد در صنعت ساخت‌وساز ایده‌آل می‌سازد.
مصالح نوین ساختمانی نانو
استفاده از ساختارهای نانو مانند نانولوله‌های کربنی در مصالح جدید ساختمانی در حال افزایش است و پیش‌بینی می‌شود با تولید انبوه، قیمت میلگردهای پلاستیکی نانوکربنی و دیگر مواد ساختمانی مبتنی بر فناوری نانو به تدریج کاهش یابد. در ادامه به معرفی برخی از جدیدترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی ساخته‌شده با فناوری نانو خواهیم پرداخت.
- نانوکامپوزیت‌ها : ساختمان‌سازی در حال حاضر به عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان پلاستیک در جهان شناخته می‌شود. پروفیل‌های درب و پنجره، لوله‌ها، اتصالات، چسب‌های درزگیر و… همگی از پلاستیک ساخته می‌شوند و در صنعت ساخت‌وساز کاربرد دارند. استفاده از فناوری نانو در صنعت پلاستیک، موجب تولید الیاف سبک و مقاوم به نام نانوکامپوزیت‌ها شده است. این الیاف به صورت اقتصادی تولید می‌شوند و به محصولات ساختمانی در برابر بلایای طبیعی و غیرطبیعی مقاومت می‌دهند.
- آجرهای نانو-رس : آجرهای معمولی که در بازار مصالح ساختمانی موجودند، تحت فشار بالا مقاومت کافی ندارند. به همین دلیل محققان با افزودن نانوذراتی متناسب با ترکیب شیمیایی آجر، این خاصیت را بهبود می‌بخشند. نانو-رس‌ها که حاوی نانوذرات معدنی سیلیکاتی هستند، می‌توانند با افزودن تنها پنج درصد به ترکیب آجرهای عادی، مقاومت آن‌ها را در برابر فشار تا 4/8 برابر افزایش دهند. این آجرها همچنین نسبت به آجرهای رسی معمولی از دوام و پایداری بیشتری برخوردارند.
- چوب ام‌دی‌اف نانو : MDF یا تخته‌فیبری با چگالی متوسط یکی از محصولات عمده چوبی در دکوراسیون داخلی است که از ترکیب رزین مصنوعی و الیاف سلولوزی تحت حرارت و فشار ساخته می‌شود. با افزودن نانوذرات آلومینیوم اکسید، می‌توان ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این محصول را بهبود بخشید. نتایج تحقیقات نشان داده که نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید به طور مؤثری می‌توانند از رشد قارچ‌ها و باکتری‌های مضر روی چوب جلوگیری کنند.
نانوتکنولوژی در بتن
بتن به عنوان یکی از مصالح اصلی در ساخت‌وساز شناخته می‌شود و اهمیت آن در صنعت باعث شده تا سرمایه‌گذاری خود را برای تحقیق و توسعه فناوری‌های مربوط به آن افزایش دهد. فناوری نانو ابتدا به‌عنوان ابزاری برای شناسایی ساختار و درک رفتار بتن و سپس برای بهبود ویژگی‌های آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. بتن به شدت تحت تأثیر خواص ذرات نانومقیاس خود است و درک این امر در پیدایش راهکارهای مختلف برای افزایش استحکام و دوام آن نقش مهمی ایفا می‌کند. روش‌های سنتی در ترکیب خمیر سیمان کارایی خوبی ندارند و استفاده از ذرات نانو می‌تواند فضاهای خالی را پر کرده و کیفیت بتن را پس از سخت شدن بهبود بخشد. سیلیس (SiO2) یکی از ترکیبات مختلف در بتن معمولی است و مطالعات نشان داده‌اند که می‌توان با کمک نانوذرات سیلیس، آرایش ذرات بتن را بهبود بخشید که به نوبه خود موجب بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی بتن می‌شود.
تحقیقات نیز نشان می‌دهند که نانوذرات هماتیت (Fe2O3) می‌توانند استحکام بتن را افزایش دهند. تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) که پیش‌تر مطرح شد، ماده دیگری است که برای بهبود خواص بتن در مقیاس نانو به آن افزوده می‌شود. این نانوذرات رنگدانه‌های سفیدی هستند که باعث بهبود خواص بازتابی بتن می‌شوند و تغییرات زیادی را متحمل نمی‌گردند. تیتانیوم دی‌اکسید می‌تواند آلاینده‌های آلی و ذرات گرد و غبار روی سطح بتن را به دی‌اکسید کربن و آب بی‌ضرر تجزیه کند که سپس به آسانی با آب باران یا آبکشی پاک می‌شوند. نانولوله‌های اکسید چندجداره می‌توانند مقاومت خمشی و فشاری بتن را به طور قابل توجهی افزایش داده و با جلوگیری از نفوذ آب و نمک، طول عمر بتن را بالا ببرند. نانوکلسیم کربنات، نانو-رس، گرد و غبار کوره هوایی و نانوآلومینیوم نیز دیگر موادی هستند که برای افزایش کیفیت بتن استفاده می‌شوند.
استفاده از فناوری نانو در تولید بتن ضمن این که مزایای دیگری نیز دارد، شامل:
- کاهش ترک‌های ناشی از هیدراتاسیون
- افزایش مقاومت شیمیایی در برابر حملات سولفاتی
- افزایش مقاومت در برابر اسیدها
- کاهش نفوذ کلر
- پر کردن فضاهای خالی و حفظ انسجام بتن
- برای جلوگیری از چسبندگی نانوذرات به همدیگر در داخل سیمان، باید از میکسرهای قوی برای ترکیب آن‌ها استفاده
معرفی نانو فولادها
پیشرفت‌های بی‌وقفه در فناوری‌ها و صنایع مدرن، نیاز به آلیاژهای فلزی با خصوصیات نوین را به‌وجود آورده است. انواع مختلف صنایع، از جمله ساختمان‌سازی، به محصولاتی احتیاج دارند که بتوانند از نظر عملکردی، فراتر از خواص شناخته‌شده مواد موجود عمل کنند. خوشبختانه محققان موفق به توسعه نوع جدیدی از فولادهای نانوساختار شده‌اند که به‌خوبی به نیازهای متنوع صنایع پاسخ می‌دهند. امروزه می‌توان به کمک فناوری نانو، فویل‌ها، فلزات پودری و ورق‌های فولادی را با کیفیت بهتری تولید کرد. افزودن نانوذرات مس به ساختار فولاد موجب کاهش تنش‌ها و ناهنجاری‌های سطحی می‌شود و در نتیجه از بروز ترک‌های سطحی ناشی از خستگی جلوگیری می‌کند.
از این رو، نوسانات قیمت مس در فرآیند تولید این محصولات تأثیرگذار خواهد بود. این خاصیت در صنعت ساخت‌وساز، به‌ویژه در سازه‌هایی مانند برج‌ها و پل‌ها که تحت نیروی چرخشی قرار دارند، از اهمیت خاصی برخوردار است. فولادهای نانوساختار با ضریب ایمنی بالا، گزینه‌ای مناسب برای کاربردهایی هستند که نیازمند دقت و توجه ویژه‌ای هستند. نمونه بارز این کاربردها، پل‌های کابلی هستند که در آن‌ها فولاد به ابعاد نانومتری اصلاح می‌شود و این امر منجر به تولید کابل‌های فولادی بسیار مقاومی می‌شود که زمان و هزینه ساخت پل را کاهش می‌دهد. همچنین، افزودن نانوذرات منگنز و کلسیم به فولاد، چقرمگی جوش را بهبود می‌بخشد. به طور کلی، سه روش اصلی برای تولید نانوفولاد و دیگر فلزات نانوساختار وجود دارد:
- تغییر شکل : در این روش، با بهره‌گیری از کره‌های کوچک یا اعمال تنش‌های مکانیکی، میکروساختارها به نانوساختار تبدیل می‌شوند.
- بلوری کردن شیشه : با تولید محلول جامد فوق‌اشباعی به نام شیشه فلزی، آرایه‌ای بی‌شکل از اتم‌های آلیاژ ساخته می‌شود و با کنترل حرارت، بلورهای نانومقیاس تشکیل می‌شوند.
- آبکاری : در این روش، محلولی از یون‌های فلزی در یک سلول الکتریکی ایجاد شده و با رسوب نانوبلورها روی کاتد، ماده مطلوب تولید می‌شود.
پوشش‌های نانو در صنعت ساختمان
پوشش‌های نانو تولید شده با فناوری نانو، معمولاً برای حفاظت از مصالح ساختمانی گوناگونی چون شیشه و سنگ مرمر استفاده می‌شوند. این پوشش‌ها موجب افزایش مقاومت در برابر خوردگی و عوامل محیطی از جمله آب، روغن و خزه می‌شوند و همچنین کاهش اصطکاک و بهبود مقاومت حرارتی را به ارمغان می‌آورند. این محصولات شامل انواع مختلف مانند آب‌گریز، ضدگرافیتی و ضدسایش هستند که بسته به نیاز، در بخش‌های متفاوتی از ساخت‌وساز به کار می‌روند.
پوشش‌های آب‌گریز و آب‌دوست معمولاً در سطوح تخت و روی مصالحی مانند کاشی و چوب استفاده می‌شوند. نانوذرات اکسید سیلیکون به گونه‌ای طراحی شده‌اند که زاویه تماس آبشان بیش از 90 درجه بوده و به همین دلیل خاصیت آب‌گریزی پیدا می‌کنند. در مقابل، پوشش‌های آب‌دوست قادر به جذب آب و پاکسازی آلودگی‌ها هستند. پوشش‌هایی که برای مقاوم‌سازی در برابر سایش طراحی شده‌اند، عملکرد سطحی را حفظ کرده و عمر قطعات را افزایش می‌دهند. نانوذرات در این پوشش‌ها ابعاد کوچکی دارند و به این ترتیب شفافیت اجزای سازه را تغییر نمی‌دهند، از این‌رو می‌توانند برای حفظ ظاهر و دوام پنجره‌ها و کفپوش‌ها به کار روند.
پوشش‌های ضدخوردگی هم از اجزای مختلف در برابر اکسیداسیون و رطوبت محافظت می‌کنند، که از جمله آن‌ها می‌توان به پلی تترافلورواتیلن (PTFE) اشاره کرد که در دماهای بالا خاصیت ضدچسبندگی خواهد داشت. پوشش‌های اپوکسی سرامیکی نیز به مستحکم کردن اتصال ذرات سرامیکی کمک کرده و در برابر سایش مقاومت می‌کنند. پوشش‌های ضدشعله، برای پیشگیری از احتراق مواد قابل اشتعال مانند چوب و کابل‌های برق طراحی شده‌اند و تولید این پوشش‌ها با افزودن نانوذرات منیزیم همراه است.
شیشه های هوشمند و کاربردهای آن
استفاده از فناوری نانو در صنعت شیشه تحولات زیادی را در دما، مقاومت و عبور نور به وجود آورده است. این شیشه‌ها با پوشش‌های نانویی تولید می‌شوند و شامل انواع خودتمیزشونده، آنتی‌باکتریال و ضدحریق هستند. شیشه‌های آنتی‌باکتریال به جلوگیری از رشد و انتقال باکتری‌ها کمک کرده و کاربرد اصلی آن‌ها در صفحه نمایش تلفن‌های همراه است، چرا که همواره در معرض آلودگی قرار دارند. این نوع شیشه‌ها بهترین گزینه برای مکان‌هایی چون بیمارستان‌ها و آزمایشگاه‌ها هستند که نیاز به پاکیزگی و ایزولاسیون دارند.
شیشه‌های خودتمیزشونده با پوشش آب‌دوستی که دارند، با جذب نور خورشید به عنوان کاتالیزور عمل کرده و آب را در سطح خود پخش می‌کنند که در نهایت موجب تمیزی شیشه می شود.
شیشه‌های کنترل‌کننده انرژی قادرند امواج فرابنفش و مادون قرمز را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و نور مرئی را تنظیم کنند. این شیشه‌ها با کاهش 80 تا 85 درصدی اتلاف انرژی در تابستان و زمستان، نقش فعالی در صرفه‌جویی مصرف انرژی ایفا می‌کنند.
شیشه‌های ضد مه که به تازگی در تولید آینه‌های خودرو استفاده می‌شوند، دارای سطحی ابرآب‌دوست هستند که از تشکیل قطرات ناشی از مه بر روی شیشه جلوگیری کرده و آن‌ها را به یک لایه نازک آب تبدیل می‌کند.
شیشه‌های ایمن حرارتی توسط عملیات حرارتی گرم شده و سرد شدن سریع آن‌ها موجب ایجاد ساختاری محکم و مقاوم می‌شود. نکته جالب این است که این شیشه‌ها در اثر ضربه، به جای خرد شدن به قطعات ریز دندانه‌دار، به شکل تکه‌های هموار و شبیه به سنگریزه درمی‌آیند. شیشه‌های ایمن حرارتی معمولاً در پنجره‌های کناری خودروها به کار می‌روند.
استفاده از نانوروبات‌ها در زمینه ساخت و نگهداری
نانوروبات‌ها که به نانوربات‌های میکروسکوپی نیز معروفند، ربات‌های کوچک طراحی‌شده برای انجام وظایف خاص در مقیاس نانو هستند. این ربات‌ها می‌توانند تحولی در صنعت ساخت و ساز ایجاد کنند، زیرا توانایی جمع‌آوری مواد در سطح اتمی را دارند که امکان ساخت سازه‌های دقیق و پیچیده را فراهم می‌سازد. یکی از کاربردهای عمده این نانوروبات‌ها در زمینه تعمیر و نگهداری است. این ربات‌ها می‌توانند در نقاطی که دسترسی به آن دشوار است، تعمیرات را انجام داده و نیاز به مداخلات دستی پرهزینه و زمان‌بر را کاهش دهند. همچنین، نانوروبات‌ها می‌توانند به تمیز کردن سطوح و تصفیه هوا کمک کنند و به حفظ زیبایی و کیفیت محیط‌های ساختمان کمک نمایند.
پیشرفت فناوری نانو در صنعت ساخت و ساز
علاوه بر مزایای منحصر به فرد مواد ساختمانی تولیدشده با فناوری نانو، یک مزیت مهم دیگر نیز وجود دارد که نانوفناوری را به یک پدیده قابل توجه تبدیل می‌کند: استفاده کمتر از منابع بدون آسیب به محیط زیست، که موجب صرفه‌جویی در مواد خام و حفاظت از محیط زیست می‌شود، و این دقیقاً همان چیزی است که برای مقابله با بحران‌های زیست‌محیطی ناشی از فعالیت‌های انسانی به آن نیاز داریم. نظرات شما در مورد آینده این فناوری، به ویژه در صنعت ساختمان‌سازی چیست؟ آن را با ما در میان بگذارید.