قرن بیست ویکم، قرن فناوری نانو مهمترین دوران صنعت به شمار می رود. قرن نانو، قرن سلامتی، صرفه جویی و آرامش نامیده می شود. نانو نه یک ماده است نه یک جسم، فقط یک مقیاس است، کوچک شدن یک مقیاس، نانو یک میلیاردم متر است به اندازه ای کوچک که دیده نمی شود اما باتاثیری بسیار بزرگ در زندگی انسان در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی وبیولوژیکی تک تک اتم ها، ملکول ها باخواص توده ماده متفاوت است، نانو ذرات درچنین مقیاس و مشخصه های منحصر به فردی موجب پیدایش دستاوردهای نوینی درعلوم پزشکی و مهندسی می شوند.
به طورخلاصه نانو تکنولوژی به معنی انجام مهندسی مواد در ابعاد اتمی – ملکولی و ساخت موادی با خواص کاملا” متفاوت درابعاد نانو است. تعریف دیگر نانوتکنولوژی “با آرایش دادن ودستکاری اتم ها ساخت مواد مورد نظراست”. نانومتر، (یک میلیاردم متر) به اندازه چیدن ۵الی۱۰ اتم درکنار یگدیگر است، مکعبی باابعاد ۲٫۵ نانومتر تقریبا” ۱۰۰۰ اتم راشامل می شود. خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ماده تبدیل شده به ابعاد نانو نسبت به خواص آن در ابعاد ماکرویی کاملا” متفاوت است. نانو در ملکولهای ماده انرژی بالایی را ایجاد می کند به همین دلیل معجزه آسا نامیده می شود.
تاریخچه فناوری نانو
فناوری نانو حدود نیم قرن پیش، در دهه های آخر قرن بیستم همراه با توسعه فناوری های نوین تصویربرداری، دستکاری و شبیه سازی ماده در مقیاس اتمی پدید آمده است. نانو در گذشته فیزیک اتمی نامیده می شد، پس از کابردی شدن آن، نام آن نانوشد، به همین دلیل نانو یک علم جدید نیست، اما کاربردی شدن آن زندگی انسان رادگرگون ساخت. ایده نانوتکنولوژی رابرای اولین بارEric Drexler به دنیا عرضه نمود، او درآزمایشگاه مشهورMIT متعلق به انستیتوForesight مطالعات خود را باسیستم ها بیولوژیکی شروع کرده وسپس متوجه شد که می توان دستگاه های ملکولی تولید کند بدین ترتیب ایده نانو تکنوژلوی به نام او ثبت شد. اصطلاح “نانو” برگرفته از یونان قدیم است وبه معنی” کوتوله” بوده است.
جایگاه فناوری نانو در علوم مهندسی
علم میان رشته ای نانوتقریبا” تمامی علوم مهندسی وپزشکی رادر برگرفته است. تاکنون بیشترین کاربرد را درصنایع سنگین، بهداشت، نساجی و کشاورزی داشته ودر صنایعی نظیر رنگ، اتومبیل، کامپیوتر، شیمی، تصفیه آب وغیره نیز درحال توسعه است. محصولات نساجی حاصل از فناوری نانو در کشورهای آلمان وانگلیس بیشترین رواج را دارند. تولید کفش ها و لباس هایی که با حفظ گرمای بدن وتاثیر درگردش خون، باعث کاهش خستگی وراحتی می شوند نیز ازدستاوردهای سحرآمیزعلم نانو است.
ساخت، دستکاری و آنالیز نانو- سیستم ها، توابع مختلفی راکه قبلا” از وجود آن بی خبر بوده ایم آشکارو استفاده مفید وعرضه آنها به بشر باعث پیشرفتهای ارزنده ای دراستانداردهای زندگی می شود. مهندسی سیستمهای خلاء پیشرفته وایجاد توانایی های علمی در علوم مهندسی و پزشکی از قبیل; نمایش، تطبیق نیروهای مکانیکی و تعیین مشخصات آنها درسطح نانو، شروع وخاتمه تثبیت وپی گیری انجام کارهای مختلف در نانو ثانیه ها، بررسی پیشرفت تکنیک های آنالیتیکی مانند; آنالیزهای شیمیایی در ابعاد نانو وازطرفی فرصت دست یابی علوم مهندسی به نانوسنسورها، عناصرحافظه وتجهیزدستگاههای جدید وموثردرعلم پزشکی ازدستاوردهای این فناوری است.
تاثیرات فناوری نانو در زندگی انسان
بهره گیری از خواص ماده درمقیاس نانو، نویدبخش فواید و منافعی می باشد که موجب تحولات اساسی در زندگی انسان می شود. صرفه جوئی در مصرف انرژی، صرفه جویی اقتصادی، صرفه جویی در زمان، تامین محصول بیشتر باهزینه کمتر، افزایش کیفیت محصول ودرنتیجه افزایش کیفیت واستانداردهای زندگی، ایجاد زندگی سالم، کاهش وابستگی های اقتصادی به سایر تکنولوژی های پیشرفته وافزایش درآمدهای ملی از جمله فوایدی است که می توان نام برد.
بودجه صرف شده در فناوری نانو درسال ۲۰۰۸ مبلغ ۸/۶ میلیارد دلارواین بودجه برای سال ۲۰۱۵ به میزان یک تریلیون دلاروبرای سال ۲۰۲۰ چهاربرابراین رقم پیش بینی شده است.
کاربرد تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان
از فناوری نانو به عنوان رنسانس فناوری یاد میشود. فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشتهای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گستردهای را پوشش میدهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاههای در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولا حدود یک تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانوتکنولوژی فهم و بهکارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی ـ عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک ـ از خود نشان میدهند.
حرفه معماری امروزه بیش از هر زمان دیگری با گستره عظیمی از مواد و مصالح روبهرو است اگر چه انتخاب محصولاتی که کمترین اثرات زیستمحیطی را به دنبال دارند مهمترین مساله در انتخاب مواد و مصالح پایدار است، ولی باید سایر جنبههای آن همانند زیبایی و کیفیت بصری، قابل مرمت و نگهداری بودن، دسترسی راحت و ارزان به آنها را نیز مد نظر داشت. مصالح در طول چرخه خود بر محیط تاثیر میگذارند و مقیاس تاثیرگذاری آنها میتواند حتی گستره عظیم جهان را نیز در بر گیرد. مثلا استفاده از برخی مواد میتواند به افزایش دمای کره زمین منجر شده و بر آن تاثیر زیادی داشته باشد. در توسعه پایدار مصالح ساختمانی نقش مهمی دارند. این مصالح باید با کیفیت بالایی تولید شوند، دارای مواد سمی نباشند برگشتپذیر بوده و در طول تمام چرخه زندگی خود، باعث صرفهجویی در مصرف انرژی شوند. این نکته هم راستا با خاستگاههای اقتصادی و اجتماعی توسعه پایدار نیز میباشد.
فناوری نانو با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد را از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی به وجود میآورد. نانوتکنولوژی نویدبخش پیشرفتهای چشمگیری در زمینههای مختلف علمی شده است. این علم با کنترل مواد در مقیاس مولکولی، گشایش اسرار طبیعت در تمام عرصهها از مهندسی تا پزشکی را نوید میدهد. بسیاری از خواص یک ماده از قبیل رنگ، استحکام و شکنندگی قابل کنترل میگردد. امکان تهیه مصالح مناسب و با ویژگیهای مورد نظر در بخشهای مختلف ساختمان و تاسیسات و تجهیزات سرمایی و گرمایی وابسته به آن با توجه به نیازها و خواستههای ما، برای کاهش مصرف انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم نقش بسزایی خواهد داشت. در بخش مواد و مصالح ساختمانی و تاسیسات ساختمانی میتوان به عمر زیاد، ضربهپذیری زیاد، شکنندگی کم و تغییر شکلهای ناچیز اشاره نمود. بهطور مثال میتوان به نمونههایی از کاربردهای فناوری نانو اشاره کرد. ساخت مصالح بسیار مقاوم در برابر نشست که میتواند در ساخت تاسیسات مورد نیاز ساختمانی به کار گرفته شود، بهبود عملکرد لولههای انتقال آب، بالا بودن بازده الکتریکی و مکانیکی تاسیسات ساختمانها، مقاومسازی مصالح، عدم نیاز به عایق کاری جداگانه در این گونه مصالح و پاسخگویی به شرایط مختلف اقلیمی کشور.
نکته: با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو و ورود تقویتکنندهها و استحکامدهندههای نانویی در مصالح ساخت و ساز موج جدیدی با شتاب فزایندهای صنعت ساخت و ساز را در بر گرفته است
ساخت شیشههای خود تمیزشونده که حتی مشکل تمیزکاری پنجرهها بخصوص در ساختمانهای بلند را از میان برمیدارد، با کمک فناوری نانو حاصل شده است و برای ساختمانها میتوان علاوه بر جلوگیری از اتلاف انرژی در بخشهای مختلف و استفاده بهینه انرژی در ساختمان، به حفظ و نگهداری ساختمان برای مدت طولانی و مقاومسازی آن حتی برای حوادث غیرمترقبه (با صرفه اقتصادی) دست یافت. طراحی پایدار توجه به ویژگیهای مواد را به عنوان یک عامل مهم برای جلوگیری از ضایعات و پسماندها میداند. به عنوان مثال امروزه با استفاده از فناوری نانو در امر راهسازی میتوان با ایجاد یک سطح به هم بافته شده در بین لایههای زیرسازی و مصالح پوشاننده بر طول عمر پروژه افزود. این مساله با بازدهی اقتصادی بالاتر همراه خواهد بود و گامی در راستای بعد اقتصادی توسعه پایدار است.
کاربرد مواد نانو در ساختمانسازی
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در کلیه علوم و صنایع، توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بهطور عام در ساخت و ساز شده است ولی اخیرا با توجه به تقویتکنندهها و استحکامدهندههای نانویی در مصالح ساخت و ساز موج جدیدی با شتاب فزایندهای صنعت ساخت و ساز را در بر گرفته است.
سیلیسیم دی اکسید یا سیلیکا فراوانترین ماده سازنده پوسته زمین است. این ترکیب با فرمول شیمیایی SiO2 ساختاری شبیه الماس دارد، مادهای بلوری و سفید رنگ که دمای ذوب و جوش آن نسبتا زیاد است. SiO2 در طبیعت به ۲ شکل بلوری و آمورف (بیشکل)یافت میشود. کاربرد مهم سیلیس در تولید انواع بتون است که کیفیت و خواص محصول تولیدشده آن بستگی زیادی به نوع و اندازه ذرات سیلیکا دارد و نانولولههای کربنی دارای دانسیته بسیار کم نسبت به فولاد و آلومینیوم میباشد. به طوری که دانسیته آن تقریبا یکپنجم دانسیته فولاد و یکسوم دانسیته آلومینیوم میباشد. از کاربردهای مهم نانولولهها در ساخت سازههای سبک و مقاوم در مقابل کشش مطرح است که با کاهش وزن سازه مقاومت آن در مقابل زلزله به دلیل کاهش نیروهای وارده به سازه افزایش مییابد. در اینجا به بررسی اهمیت و اثرات استثنایی سیلیسیم در بتون تاکید میشود.
مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول و عرض و ضخامت) زیر۱۰۰ نانومتر باشد تعریف شدهاند. یک نانومتر، یکهزارم میکرون یا حدود ۱۰۰ هزار برابر کوچکتر از ضخامت موی انسان است. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهای متعددی که وجود دارند ازجمله ذرات، الیاف، گلوله و…) در مقایسه با مواد میکروسکوپی نوع دیگر تفاوت اساسی دارند. تغییرات اصولی که وجود دارد نهتنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو میباشد.
نانو پوششهای ساختمان در سطوح داخلی و خارجی ساختمانها ازجمله: سطوح شیشهای، پلاستیکی، چوبی، فولادی، سنگی، آجری، کاشی، سرامیکی، سیمانی، بتونی و… استفاده میشوند. در این سطوح (سطوح هوشمند) که عموما فوق آبدوست یا فوق آبگریز هستند واکنشها روی سطح صورت میگیرد. لازم به ذکر است که نانو پوششهای ساختمان آنتیباکتریال بوده و برای سلامت انسان بیضرر هستند.
وضعیت جهانی نانو
از فناوری نانو به عنوان «رنسانس فناوری» و «روانکننده جریان سرمایهگذاری» یاد میشود. ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و تواناییهای دفاعی و زیستمحیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابهجاییهای بزرگ اقتصادی خواهد شد. هماکنون بخشهای دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن، آمریکا، اتحادیه اروپا، چین، هند، تایوان، کره جنوبی، استرالیا، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر میبرند. هم اکنون حدود ۳۰ کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای «برنامه ملی» یا در حال تدوین آن هستند و طی ۵ سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به ۵/۳ برابر افزایش دادهاند. کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کردهاند. صنعت ساختمان سرمایه عظیمی را به خود اختصاص میدهد ـ که علاوه بر هزینه ساخت آن شامل هزینه نگهداری نیز میشود ـ میتوان به اتکاء به نانوتکنولوژی هم عمر مفید ساختمان را افزایش داد و هم میتوان انرژی را مدیریت کرد به گونهای که پایدار بمانیم و با ارتقای کیفیت زندگی راه را برای آیندگان نیز هموار سازیم.
نانو پوشش های آبگریز چیست؟
یکی از نمونه های تجاری نانو پوشش ها ، که دارای خاصیت ضد میکروبی ، مقاوم در برابر آب ، هوا مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی هستند و یکی از پوشش های اصلی ساختمان به شمار می روند .
این ترکیبات علاوه بر حفظ ظاهری سطح ، باعث عدم ایجاد چسبندگی در سطح شده و آب ، چربی و سایر آلودگی ها را از آن دفع می کند و علاوه بر آن ، برای سطوح سنگی نفوذ پذیر که خاصیت مکندگی دارند نیز بسیار کاربردی است .
ترکیبات اصلی این نانو پوشش ها معمولا شامل الماس نقره ، شیشه و سرامیک هستند اما با توجه به موارد مصرف آن ممکن است درصد استفاده از این ترکیبات متفاوت باشد .
نکته قابل توجه این است که در اکثر آن ها ذرات تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد مقاوم هستند. از دیگر مزایای این پوشش ها حفظ تنفس سطوح ، محافظت از سطوح در برابر عوامل محیطی ، امکان شستشوی لکه های چربی و روغن و جلوگیری از ایجاد کپک ، جلبک و مشابه آن می باشند . نانو پوشش هامی توان در نمای ساختمان هایی که از سیمان ساخته می شوند نیز به کار روند ، چرا که در اکثر موارد ، نمای سیمان پس از مدتی کاملا کثیف می شوند آلودگی ها را می مکند و تحت اثر نور خورشید الودگی ها را در داخل ساختار سیمان جایگزین می کند .
استفاده از این پوشش ها در نمای ساختمان باعث عدم نفوذ کثیفی ها ، باکتری ها و غیره به داخل ساختار مصالح می شود و ظاهر اولیه نما را به خوبی حفظ می کند .
معمولا در نما های آجری ، ماسه سنگی ، بتنی آلودگی ها به سرعت جذب می شود و در ظاهر آن ها تغیرات نا مطلوبی خواهد داشت . در چنین شرایط استفاده از تمیز کننده های فشار قوی نیز کارساز نمی باشد ، اما در صورت استفاده از این پوشش ها ، همچنان که به سطح اجازه تنفس داده می شود از نفوذ مواد به سطح نیز جلوگیری می گردد . بدین ترتیب رنگ و ساختار اصلی آن حفظ می شود .
نانو پوشش های فتوکاتالیست (خود تمیزشونده) مخصوص شیشه
یکی از مهمترین انواع نانو پوشش ها ، در شیشه های خودتمیز شونده به کار می رود ، این پوشش ها با ضخامت چند نانومتر ، با تشکیل یک فیلم آبدوست در سطح شیشه تشکیل و میزان آب جمع شده در سطح خود را افزایش می دهد . در مقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب و هوا بر روی سطح این پوشش افزایش می یابد ، بدین ترتیب آب جمع شده روی سطح تماما پخش شده و با نور خورشید تمیز می شود .
نانو پوشش های فتوکاتالیست (خود تمیزشونده) مخصوص سطوح سیمانی رنگ شده
یکی دیگر از انواع نانو پوشش ها مخصوص نما های سیمانی رنگ شده می باشد که علاوه بر محافظت از رنگ در مقابل عوامل طبیعی و بالا بردن عمر رنگ ،نور خورشید باعث تجزیه شدن آلودگی ها می شود .
محلول ضد سایش مخصوص سنگ کف و آجر کف
این محلول علاوه بر آبگریز نمودن ، سختی سنگ را بالا می برد و خاصیت ضد سایشی هم داشته و از مات شدن و لک شدن سطح مورد نظر جلوگیری می کند. بر اثراستفاده از این پوشش ها برای سالن ها و لابی و در قسمت پارکینگ ساختمان ، ریزش احتمالی روغن و آلودگی های دیگر موجب کثیفی آجر کف وسنگ کف نمی شود . ذرات روغن ریخته شده بر روی سنگ کف و اجر کف به دلیل وجود لایه نانو به صورت قطره ای بر روی سطح می مانند و به درون آن نفوذ نمی کنند . در نتیجه آلودگی های موجود بر روی لایه نانو تا انجام نظافت دوره ای ساختمان به همان شکل قطره ای باقی می مانند و با انجام نظافت از روی لایه پاک خواهند شد.
پوشش های آنتی باکتریال
یک فیــلم به طــور کاملاً نامــرئی بر روی سطـح تشکیل می دهد که هـمراه با خاصــیت ضـد مــیکروبی مـی باشد. این پوشش، بــهداشت در مــنـازل را توســط محافـظت در برابر باکـتری ها و ویـروس ها بهبود می بخشد عــلاوه بر این سطــوح غیر چسـبنده (پر نمودن منافذ مستعد برای نـفوذ میکروب ها) و آسان تمـیز شونده، پدیـد می آورد. آلایــنده ها و ریزگردها را می تــوان به راحتی از سطوح دور نمود و دیگر نیازی به استفاده از مواد ضدعفــونی کــننده جهت تمیز کردن نیست. پوشش اعمال شده بر روی بند کشی کاشی در حــمام و سرویـس های بهــداشتی، از رشد جلبـک ها جلوگیری می کند. این محلول می توان در سطوح استخر ها و دیوارهای مناطق مرطوب (شمال کشور) استفاده نمود و از رشد جلبرگ ، خزه و مشابه آن جلوگیری کند .
روش اجرا
سطح ابتدا باید به دقت از هر نوع آلودگی، چربی و روغن تمیز شود. به این منظور تمیز کننده کارواش توصیه میشود.. سپس سطح باید با آب فشار بالا تمیز شسته شود. قبل از اعمال پوشش سطوح باید تمیز باشند و عاری از هر گونه روغن و آلودگی باشند. عملیات پوشش دهی باید فوراً بعد از تمیزکاری انجام شود. بعد از اعمال پوشش به مدت ۳ ساعت سطح نباید بطور مکانیکی یا دستی پولیش یا تمیز شود. همچنین در طول مدت این زمان توصیه می شود که سطح با آب نیز تماس نداشته باشد.
محلول نانو را کاملا هم زده یا تکان دهید.. محلول آماده شده را می توان بر روی سطح اسپری یا پولیش نمود. .
اگر پوشش دهی بطور درست انجام شده باشد قطره آب روی سطح پخش نشده و بصورت یک مروارید از روی سطح برای محلول هیدروفوب عبور می کند (بعد از حداقل ۳ ساعت )…
بعد از گذشت ۱۰ دقیقه پوشش خشک می شود. خشک شدن کامل بعد از ۳ ساعت انجام می شود. همچنین حداکثر زمان واکنشها ۱ روز میباشد.
این عملیات باید در شرایط رطوبتی و دمایی نرمال انجام شود. هر گونه رطوبت یا آلودگی روی سطح یا عدم خشک شدن کامل سطح قبل از پوشش دهی می تواند باعث کاهش چسبندگی پوشش به سطح شود. اعمال پوشش روی سطوح در دمای محیط معمولی انجام می شود. از تماس مستقیم دست هنگام استفاده جلوگیری شود و از دستکش استفاده شود
کاربردهای فناوری نانو در صنعت ساختمان
امروزه نقش بسزای فناوری نانو در ساختمان به ویژه در بخش نانو پوشش ها در نمای داخلی و خارجی ساختمان از اهمیت ویژه ای برخوردار است .
نانو پوشش های آبگریز ساختمان موادی هستند که باعث دفع آب می شود ، جذب کثیفی را به حداقل می رسانند و نمای ساختمان را در مقابل اشعه فرابنفش مقاوم می سازد .
این پوشش ها در سطوح داخلی و خارجی ساختمان از جمله سطوح آجری ، سنگی ، سیمانی ، شیشه ای ، چوبی ، کاشی ، سرامیکی ، و غیره قابل استفاده هستند .
نانو پوشش ها در آجر
یکی از نمونه های تجاری نانو پوشش ها ، که دارای خاصیت ضد میکروبی ، مقاوم در برابر آب ، هوا مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی هستند و یکی از پوشش های اصلی به شمارمی روند.
این ترکیبات علاوه بر حفظ ظاهری سطح ، باعث عدم ایجاد چسبندگی در سطح شده و آب ، چربی و سایر آلودگی ها را از آن دفع می کند و علاوه بر آن ، برای سطوح سنگی نفوذ پذیر که خاصیت مکندگی دارند نیز بسیار کاربردی است .
از دیگر مزایای این پوشش ها حفظ تنفس سطوح ، محافظت از سطوح در برابر عوامل محیطی ، امکان شستشوی لکه های چربی و روغن و جلوگیری از ایجاد کپک ، جلبک و مشابه آن می باشند .
معمولا در نما های آجری آلودگی ها به سرعت جذب می شود و در ظاهر آن ها تغیرات نا مطلوبی خواهد داشت . در چنین شرایط استفاده از تمیز کننده های فشار قوی نیز کارساز نمی باشد ، اما در صورت استفاده از این پوشش ها ، همچنان که به سطح اجازه تنفس داده می شود از نفوذ مواد به سطح نیز جلوگیری می گردد . بدین ترتیب رنگ و ساختار اصلی آن حفظ می شود .
لازم به ذکر است نانو برای تمامی محصولات گروه کارخانجات فراورده های آجرنسوز نیک در آزمایشگاه فناوری نانو تست شده و مورد تائید مهندس ارشد این کارخانه قرارگرفته است.
نویسنده : سید احمد مشهدالگویه کارشناس ارشد مهندسی معدن