Нанотехнологии в строительстве

Нанотехнологии в строительстве
Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в практику на ближайшие 10-20 лет станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. По прогнозам ученых-экономистов, к 2015 году стоимость нанотехнологической продукции в общемировом промышленном производстве должна составить 1 трлн. долларов. Применение нанотехнологических материалов для повышения функциональных свойств строительных материалов и изделий – это новое перспективное направление в науке и наукоемком производстве.
Сегодня практически каждая страна, причисляющая себя к лидерам научно-технического прогресса, имеет свою нанотехнологическую инициативу и льготное, в т. ч. венчурное финансирование. Наиболее известной является «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI), принятая конгрессом США в 2000 году.
В России, в соответствии с Федеральным законом от 01.01.2001, создана «Российская корпорация нанотехнологии» (РОСНАНО), призванная содействовать реализации государственной политики в сфере нанотехнологии, развитию инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологии и реализации проектов создания перспективных нанотехнологии и наноиндустрии.
К сожалению, на российском строительном рынке внедрение нанотехнологий не нашло пока такого широкого распространения, как за рубежом – в Европе, США, Японии и Китае, где активное использование нанотехнологий в строительстве практикует порядка 20% компаний-застройщиков. На отечественном же строительном рынке материалы, разработанные на основе нанотехнологий, применяют лишь единицы из числа наиболее прогрессивных девелоперов.
Тем не менее, на Федеральную целевую программу развития нанотехнологий в России в бюджете 2010года была предусмотрена немалая сумма -30 миллиардов рублей. Научным центром по направлению «Нанотехнологии» определен Московский государственный строительный университет. Результаты фундаментальных исследований в области применения нанотехнологий в строительстве уже сейчас впечатляют.
Конструкционные композитные материалы, разработанные на основе нанотехнологий, имеют значительно более высокую прочность, чем их традиционные аналоги, новые виды арматурных сталей практически абсолютно не подвержены коррозии. Также стоит отметить уже применяющиеся на практике разработки по производству самоочищающихся покрытий, энергосберегающих нанопленок для светопрозрачных конструкций, а также «дышащих» паропроницаемых стекол. Кроме того, уже изготовлены сверла сухого (без смазочных и охлаждающих жидкостей) высокоскоростного сверления камня; разработана комбинация активных компонентов, обеспечивающих высокую, надежную и долговременную защиту древесины от поражения микробами, плесенью и бактериями. Также разработана уникальная система, представляющая собой оптическое волокно, в котором сосредоточено большое количество датчиков. Это волокно монтируется в различные строительные объекты и позволяет осуществлять непрерывный контроль состояния строительных конструкций. Датчики позволяют осуществить измерение и мониторинг величин деформации в процессе строительства и эксплуатации. В перспективе дальнейшего развития – основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов, несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния, покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей, фотокаталитические покрытия, — все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.
Уже доказано на практике, путем проведения испытаний по соответствующим методикам, что здания и сооружения, построенные с использованием нанотехнологий, способны прослужить в 2 – 5 раз дольше, чем самые прочные традиционные дома постройки конца XX – начала XXI столетия. Если, к примеру, современный жилой комплекс, возводимый большинством как столичных, так и региональных строительных компаний рассчитан на 100 лет эксплуатации, то дома города будущего, построенные с применением нанотехнологий, простоят как минимум 200-500 лет.
Более того, с применением нанотехнологий в строительстве изменятся не только качественные характеристики строений, нововведения коснутся и конструктивных особенностей. Можно будет строить дома практически любых конфигураций, которые будут сами подстраиваться под нужды и потребности жильцов, а также климатические условия – летом охлаждать внутренние помещения, а зимой аккумулировать в них тепло.
Бурное развитие нанотехнологий, с одной стороны, предполагает использование достигнутых результатов фундаментальных исследований в прикладных областях строительной науки, а с другой — само развитие нанотехнологий невозможно без новых подходов к проектированию и строительству объектов.
Действительно, производство нанотрубок или любых других нанообъектов невозможно разместить в зданиях, предназначенных для традиционных промышленных производств. Производственные нанотехнологии ставят специфические задачи перед проектировщиками и строителями всех специальностей. Строгие требования к параметрам воздушной среды, температурно-влажностному режиму, акустическим и антистатическим параметрам помещений, виброизоляции определяют новые требования к проектированию зданий, их конструктивному и объемно-планировочному решениям, а также к выбору материалов и технологий, применяемых при возведении зданий. Символично, что именно конструктивная схема архитектора Букминстера Фуллера, подсказавшая Гарольду Крото и Ричарду Смолли строение структуры знаменитого соединения углерода С60, положила начало широким исследованиям в области нанотехнологий.

Основными продуктами нанотехнологии в России и других странах в настоящее время являются нанопорошки и наночастицы, различающиеся размерами, формой и специфическими свойствами. Они могут выполнять роль адсорбентов, катализаторов и модификаторов химических реакций, технологических и конструктивных свойств изготовляемых с их применением материалов. Улучшение свойств материалов, наблюдаемое при использовании нанопорошков и наночастиц, связано с физико-химическими процессами и явлениями, происходящими на поверхности взаимодействующих фаз. Необходимо поэтому сформировать на поверхности этих частиц такие структуры, которые будут обеспечивать повышение их каталитических, реакционных и адсорбционных свойств, например, ускорение и полноту химических реакций, усиление молекулярного взаимодействия и др.
Металлургическая отрасль производит в основном конструкционные материалы. Резервы повышения механических характеристик сталей введением дорогостоящих легирующих элементов, как считают специалисты, практически исчерпаны, тем более, что повышение прочности приводит к охрупчиванию сталей. Добавление нанопорошков (подшихтовка) позволит устранить этот недостаток. Основными направлениями развития нанотехнологии в металлургии являются: компактирование и спекание нанопорошков в порошковой металлургии, интенсивная пластическая деформация, обработка заготовок потоком высокоэнергетических частиц, нанесение упрочняющих металлических покрытий, кристаллизация наночастиц из аморфного состояния и внесение наночастиц-модификаторов в исходный расплав (например, фуллеренов, углеродных нанотрубок, тугоплавких нитридов, карбидов и др.).
В керамическом производстве нанопорошки и наночастицы используются в основном для изготовления технической керамики (огнеупоров и специальной – бериллиевой, прозрачной оксидной для дозиметрии ионизирующих излучений и лазерной техники), а также для облицовочной и дорожной керамики в покровном слое – ангобе, глазури.
Уникальные свойства приобретает облицовочная керамика с покровным слоем «Hydrotect» (разработанным японским концерном ТОТО), содержащим модифицированный фотокатализатор диоксид титана (ТiO2), придающий керамике, по данным японского концерна, стерилизующие и самоочищающиеся свойства. Фотокализатор способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органические материалы и бактерии, а под действием света наноструктурированная оксидом титана поверхность керамики постепенно становится супергидрофильной и вода легко стекает с нее, увлекая загрязнения.
Большое значение для энергосбережения, регулирования светотехнических и улучшения санитарно-гигиенических свойств светопрозрачных ограждающих конструкций, а также фасадов зданий и сооружений имеют наноматериалы, содержащие наночастицы, придающие светопрозрачным покрытиям на их основе специфические свойства.
Так, при нанесении на поверхность флоат-стекла непосредственно при его изготовлении тонкого слоя из оксидов металла In-SnO2 (методом пиролиза), коэффициент теплопередачи его снижается на 70-80 %, а теплопроводность стеклопакета с его использованием – в 2-2,5 раза. Еще больше снижается теплопроводность стеклопакета при использовании флоат-стекла с вакуумным напылением на его поверхности трех и более чередующихся слоев серебра и диэлектриков (BiO, AlN, ТiO2 и т. п.). Это так называемые теплоизоляционные стекла, Pilkington K-Glass (с твердым покрытием) и Pilkington Optitherm SN (с мягким покрытием), выпускаемые компанией «Pilkington», частично концерном SAINT-GOBAIN и компанией FUYAO GROUP CHINA (Китай). В России эти компании и концерн представлены Глас», Saint-Gobain Glass Exprover и «Фуяо групп Китай», осуществляющими операции по поставкам листового стекла этих фирм в Россию.
Используя обнаруженную фотокаталитическую активность диоксида титана анатазной модификации, в конце 90-х годов прошлого века фирмой Pilkington разработана технология производства самоочищающегося стекла, получившего наименование Pilkington Aktiv. На поверхность еще не остывшего флоат-стекла напыляется специальный состав с наночастицами ТiO2, который после остывания стекла образует с ним единое целое. Как и в случае облицовочной керамики, покрытие обеспечивает нейтрализацию органических соединений на поверхности стекла и полную его гидрофилизацию, способствующую стеканию воды со стекла вместе с загрязнениями. Стекла эти дорогие, но в Европе имеют массовое применение. Аналогично ведут себя покрытия с фуллеренами.
Имеются и другие виды самоочищающихся покрытий на стеклах. Американские ученые из университета Пардью создали самоочищающееся стекло с двухслойным покрытием, притягивающим воду сильнее, чем масло (обычное стекло наоборот). Нижний слой гидрофильный, содержит полиэтиленгликоль, а верхний – гидрофобный, из молекул, сходных с тефлоном. Молекулы пропускают через себя воду к нижнему слою, но задерживают масло. Вода, попадая на такую поверхность, растекается ровным тонким слоем, а масло собирается в капли, которые легко смываются вместе с водой.
Более простой недорогой и эффективный способ получения самоочищающегося стекла заключается в нанесении на поверхность стекла коллоидного раствора наночастиц кремнезема (SiО2). При его высыхании наночастицы кремнезема прочно прикрепляются к родственной по составу поверхности стекла, образуя на ней слой самоупорядочивающихся бугорков, придающих поверхности стекла ворсистый характер, подобный листьям лотоса. Как и на ультрагидрофобных листьях лотоса, на обработанной поверхности стекла капли воды касаются бугорков лишь отдельными точками, что значительно ослабляет ван-дер-ваальсовые силы адгезии и вызывает сжатие капель воды силами поверхностного натяжения в шарик, демонстрируя высокий краевой угол смачивания. Аналогичным образом действует, по-видимому, покрытие из пирамидальных столбчатых кристаллических наночастиц диоксида титана.
Наночастицы диоксида титана используют также для защиты древесины от атмосферных воздействий и УФ облучения и самоочищающихся лакокрасочных покрытий, упрочненных нанопорошками кремнезема, оксидами и карбидами различных металлов.
Возможности использования в строительной отрасли научно-технических разработок и продуктов нанотехнологии постепенно расширяются. Достигаемые при этом эффекты, как правило, носят многофункциональный характер. Высокопрочные конструкционные композиционные материалы в присутствии нановолокнистых и порошковых частиц приобретают необходимую пластичность, имеют пониженные усадку и ползучесть.
Самоочищающиеся износостойкие покрытия светопрозрачных конструкций могут обладать разной паро - и светопроницаемостью в зависимости от внешних условий. Молекулярные индикаторы, информирующие о напряженно-деформируемом состоянии несущих конструкций; покрытия, аккумулирующие солнечную энергию и другие примеры позитивного использования наноматериалов и наночастиц в строительном производстве. Задача состоит, таким образом, в обеспечении строительной и других отраслей рынков этими наноматериалами и наночастицами в нужном объеме с требуемыми технико-экономическими параметрами.

Всё это звучит фантастически. Тем не менее, многие из этих, на первый взгляд, невероятных способностей, которыми могут наделить обычные здания и сооружения нанотехнологии, за границей уже реализуются на практике.
Нанотехнологии в строительстве: достижения России.
Есть чем похвастаться и российским ученым. Одна из последних разработок, уже внедренных в производство, - супербетон. Этот плод совместных трудов «Наноцентра» МЭИ, НПО «Синтетика-Строй» из Новочеркасска и питерского НТЦ «Прикладные технологии», имеет прочность и морозостойкость выше обычного бетона на два с половиной и полтора раза, соответственно. К тому же вероятность появления трещин в три раза ниже. И, что немаловажно, уменьшается вес конструкции примерно до 60 раз.
Помимо изобретения новых строительных материалов нанотехнологии позволяют значительно улучшить качественные характеристики уже существующих. Например, домол обычного портландцемента до размеров наночастиц позволяет перекрыть в три раза большую потребность в нем без увеличения объёмов производства. Это объясняется тем, что в обычном портландцементе доля частиц, вступающих во взаимодействие с водой, составляет не более 30%, остальные 70% выступают в роли инертного наполнителя. В домолотом же при помощи специальных планетарных мельниц до размеров наночастиц портландцементе доля взаимодействующих с водой частиц составляет до 90%. То есть для получения требуемой бетонной конструкции цемента потребуется в три раза меньше, заменив две части из трех первоначального объёма цемента наполнителем.
Второй способ улучшения характеристик того же портландцемента – это добавление в его состав нанодисперсных модификаторов, например, микрокремнезёма. Введение модификаторов в цементные смеси позволяет значительно увеличить прочность изготавливаемых из них бетонов.
Данный способ интересен еще с той точки зрения, что затраты на производство микрокремнезёма в ряде случаев сведены к минимуму, поскольку он является отходом при получении кремния и ферросилиция. Также в числе российских открытий такие наноматериалы, позволяющие модифицировать бетон, как базальтовая микрофибра, модифицированная фуллереноподобными частицами, и гальваношлам. Последний, кстати, как и микрокремнезём, является отходом. Он образуется при обработке известью сточных вод гальванического производства.
Но какими бы привлекательными во многих отношениях не являлись нанотехнологии в строительстве, перед повсеместным применением они все ещё требуют углубленного изучения, а также исследования взаимодействия между собой различных наночастиц.
Так, например, уже активно используемый в строительстве и ремонте такой материал, как наночастицы диоксида титана, надежно защищающий древесину от неблагоприятного воздействия солнечного излучения, может способствовать генерации молекул «активных форм кислорода». При контакте с самоочищающимися пленками на окнах это вещество способно вызвать их повреждение.

Безусловно у нанотехнологий большое будущее, и какой будет их судьба в России, сможем ли мы идти в ногу со временем и займем ли лидирующие позиции в этой области, покажет время.