Нанотехнологии в ...

Церковь Dives in Misericordia в Риме

Ослепительную белизну церкви Dives in Misericordia в Риме обеспечивают наночастицы диоксида титана

Туристов, посещающих Рим, наряду с известнейшими старинными памятниками архитектуры привлекает необычное здание в духе постмодернизма – церковь Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии»). Это белое сооружение из сборного железобетона и стекла состоит из трех изогнутых конструкций, напоминающих раковины или лепестки цветка. Церковь возведена в 2003 г. по проекту американского дизайнера Ричарда Мейера, а осуществить его замысел помогла итальянская компания Centro Technico di Gruppo. Проект церкви требовал особых технологий: ее стены должны быть белоснежными и как можно дольше сохранять свою чистоту. Для решения этих задач специалисты компании выбрали цемент, изготовленный ими по новой технологии TX Active®: в его состав входят наночастицы диоксида титана (TiO2). 

Благодаря фотокатализу поверхность из такого цемента может сама собой очищаться. Происходит это так: когда солнечные лучи касаются стен здания, диоксид титана, входящий в их состав, действует как катализатор и ускоряет химическую реакцию. Загрязнения самой различной природы – бактерии, споры бактерий, плесень, которыми покрыты стены любого здания, – просто разлагаются на воду, кислород и соли в присутствии катализатора.

Кроме того, цемент с наночастицами сам себя моет. Известно, что практически любая твердая поверхность отталкивает воду. Степень отталкивания зависит от угла между краем капли и твердым телом. Обычно угол смачиваемости равен порядка 80 градусов. После того как солнечные лучи попадают, например, на бетонную стену дома, в состав которой входит диоксид титана, угол уменьшается до 0 градусов. В это время поверхность становится восприимчивой к смачиванию – гидрофильной, т.е. вместо образования капель вода равномерно по ней растекается. В течение последующих 1–2 дней гидрофильность сохраняется, а затем угол смачиваемости начинает постепенно увеличиваться, пока не достигнет снова 80 градусов. Поверхность становится водоотталкивающей, а накопившаяся за это время вода скатывается с нее, увлекая за собой частички грязи.

Церковь, построенная из белого бетона и стекла, буквально «светится», что особенно заметно на фоне окружающих ее жилых построек 1970-х гг. Новые строительные материалы помогли воплотить в жизнь замысел Ричарда Мейера, считающего, что «свет является средством, с помощью которого мы способны испытывать то, что называется божественным».

Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.

Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных матералов. Тем не менее, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.

Уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла.

Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например:

- основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов;

- несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния;

- ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца;

- покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей;

- фотокаталитические и другие функциональные покрытия — все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома». Основной особенностью «пассивного дома» (экодома, англ. passive house) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов — внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.

И уже в настоящее время планируются и проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными по сравнению с аналогами физико-механическими характеристиками.

Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала — менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора.

Это не в последнюю очередь объясняется спецификой самой строительной отрасли, которая должна создавать безопасные долговечные объекты с наименьшими производственными и эксплуатационными затратами. Консерватизм, отсутствие производственных мощностей, кадры и пр.

Нанокирпичики для строительства

Основными строительными материалами, в производстве которых в настоящее время наиболее широко используются нанотехнологические подходы, являются:

- Цементы и бетоны

- Керамика

- Изоляционные материалы

- Стекло

- Краски

- Арматура

Цементы и бетоны

Инновационный бетон, который изготовляется по нанотехнологии из специального цемента, сможет быть более пластичным и успешнее противостоять изгибам и трещинам. Это сделает его использование в строительстве еще более популярным. Дороги, при возведении которых будут использоваться бетоны будущего или цемент с удивительными характеристиками, будут способствовать строительству зданий непривычных очертаний округлой формы или напротив, сооружений неправильной формы.

Керамика

При изготовлении керамики нанопорошки и наночастицы используются в основном для придания керамическим материалам определенных функциональных свойств. Наиболее часто используются наночастицы диоксида титана (ТiO₂), серебра (Ag) и оксида алюминия (Al₂O₃). Уникальные свойства приобретает облицовочная керамика с покрытиями, содержащими диоксид титана, которые придают керамике стерилизующие и самоочищающиеся свойства. Фотокатализатор способствует выделению активного кислорода из воды или воздуха, который окисляет и расщепляет органические материалы, а под действием света наноструктурированная оксидом титана поверхность керамики постепенно становится супергидрофильной и вода легко стекает с нее, увлекая загрязнения.

Изоляционные материалы

Чтобы осветить вектор будущего развития теплоизоляционных технологий представляем вашему вниманию высокотехнологичный материал под названием аэрогель, так же известный, как «твердый воздух» и «замороженный дым» или «голубой дым».

Подобные имена ему присвоены благодаря молекулярной структуре, по сути, это губка с открытыми нано-порами. Такую структуру получили достаточно просто: смешав диоксид силикона и Н2О, под высоким давлением заменили молекулы воды на молекулы сжиженного газа (СО2), после возвращения нормального атмосферного давления газ полностью испаряется, оставляя после себя те самые нано- поры, размером с молекулу. Таким образом получилась практически идеальная структура для теплоизоляции, коме того аэрогель прозрачен, очень тверд, очень легок (самая низкая плотность из твердых материалов) и очень хрупок.
 

Специально для каркасного строительства предлагается материал Spaceloft. Он представляет из себя «сплав» стеклоткани и аэрогеля толщиной 5 и 10 мм, с рекордными показателями теплопроводности 0,015 Вт/мК. Не трудно рассчитать, что 10 мм такой теплоизоляции заменит 42 мм стандартной минеральной ваты.

Стекло

В ближайшем будущем окна смогут не только спасать своих владельцев от жары и холода. В конце 2009 года эстонские ученые разработали оконные стекла, прозрачность которых можно менять нажатием одной кнопки. Описать ноу-хау можно в нескольких словах: в обычном состоянии стекло матовое, поэтому находящихся за ним людей можно увидеть только в виде расплывчатых контуров. Но стоит нажать на выключатель – и стекло становится прозрачным. На него нанесены сверхтонкие прозрачные слои оксидов индия и олова (то есть соединения этих элементов с кислородом). Между ними находится особый гель. При нажатии выключателя на слой оксидов подается ток, и частицы геля выстраиваются таким образом, что стекло становится прозрачным. Когда электрическое напряжение снимают, стекло снова становится матовым.

Арматура

Привычная арматура, в будущем, изменит многие свои характеристики. Арматура будущего будет легкой и гибкой, максимально устойчивой к окислению и другим неблагоприятным внешним воздействиям. То, что раньше демонстрировалось в фантастических фильмах, станет реальностью. Арматура может стать «умной» и запоминать различные формы и менять свои характеристики в зависимости от температурных или других воздействий.