افزایش کیفیت سازه‌ها با علم نانو

به گفته محمد ابراهیم‌نیا، کارشناس کارگروه صنعت و بازار ستاد توسعه فناوری، مواد نانو در حال حاضر کاربرد زیادی در صنعت ساخت و ساز پیدا کرده‌اند؛ کاربردی که به نظر می‌رسد روز به روز بیشتر و گسترده تر شود.

برای این‌که درباره تحولاتی که این شاخه جدید علمی در محیط خانه و زندگی‌مان ایجاد کرده‌اند، بیشتر بدانیم با مهندس ابراهیم نیا  به گفت‌وگو نشستیم.

فناوری نانو وارد عرصه‌های مختلف زندگی مردم شده و توانسته تحول زیادی را در صنایع مختلف ایجاد کند. اما این فناوری به‌طور خاص در صنعت ساختمان  چگونه وارد شده است؟

فناوری نانو در صنعت ساختمان و به‌طور کلی ساخت‌وساز از دو منظر وارد شده است: اولا ایجاد مصالح جدید بر پایه فناوری نانو و کاربرد این مصالح در ساختمان و ساخت و ساز. این محصولات ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که عمده خواص ویژه آن مربوط به ساختارهای نانویی محصولات به شکل‌های مختلف است. از جمله این محصولات، عایق‌های حرارتی آیروژل (سبک‌ترین ماده جامد شناخته شده در جهان که چگالی‌اش تنها سه برابر هواست) و روکش‌های ضد آب و لک سیلانی را می‌توان نام برد.

منظر دوم بهبود عملکرد و ایجاد خواص بهتر در مصالح مرسوم در صنعت ساخت و ساز است. بهبود عملکرد ایجاد خواص بهتر نیز به‌واسطه ایجاد ویژگی‌های جدید و خاص در محصول با استفاده از فناوری نانو است. از جمله این محصولات می‌توان به بتن مستحکم شده با نانوذرات سیلیکایی، رنگ‌های عایق حرارت با استفاده از آیروژل ها، سیمان و بتن رفع‌کننده آلودگی با استفاده از نانوذرات اکسیدتیتانیوم اشاره کرد.

بر این اساس، طیف گسترده‌ای از محصولات جدید با کارایی بیشتر نسبت به قبل به صنعت ساختمان وارد شده است که می‌تواند از نظر میزان مصرف مواد و مصالح، طول عمر، بهبود خواص به بهبود کلی در صنعت ساخت و ساز و آسایش و رفاه بیشتر ساکنان و مردم منجر شود.

شما بهبود عملکرد و ایجاد خواص بهتر در مصالح را از جمله نقش‌های مهم نانو در صنعت ساختمان عنوان کردید اما این فناوری چگونه می‌تواند از هدر رفتن انرژی جلوگیری کند و به مقاوم‌سازی ساختمان‌ها کمک کند؟

فناوری نانو از طریق تولید محصولات عایق مدرن می‌تواند مانع از اتلاف انرژی در ساختمان‌ها شود. به‌طور کلی رنگ‌ها، مصالح و شیشه‌های عایق که به‌وسیله فناوری نانو ایجاد شده‌اند، می‌توانند از عبور حرارت از سطح مقطع دیوار، محفظه‌های فلزی، پنجر‌ه‌ها ممانعت کرده و باعث جلوگیری از اتلاف انرژی در تمام فصول سال شوند. به‌عنوان مثال شیشه‌های دارای لایه میانی ساخته شده از عایق آیروژل در تابستان مانع از ورود حرارت از بیرون به دورن ساختمان و در زمستان مانع از خروج حرارت از ساختمان به محیط بیرون می‌شوند. علاوه بر این، روکش‌های مقاوم به حرارت و عایق حرارت روی محفظه‌ها مانند یخچال و بویلرها مانع از اتلاف حرارت می‌شود.

در بحث مقاوم‌سازی ساختمان‌ها نیز می‌توان به بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی انواع بتن‌ها، گچ‌ها، فولادها اشاره کرد. با استفاده از نانو ذرات سیلیکا درون بتن، استحکام فشاری و کششی بتن، افزایش می‌یابد. این مساله مربوط به خاصیت بهبود مقاومت در برابر انتشار ترک بر بتن در اثر وجود ذرات نانویی بین بافت بتن می‌شود. فولادهای مقاوم به خوردگی که بر اثر آلیاژ کردن با ذرات نانویی و عملیات حرارتی منجر به رسوب ذرات نانویی در فولاد می‌شود نیز تولید شده‌اند، از دیگر مثال‌های این زمینه است. علاوه بر تولید مصالح مستحکم، فناوری نانو راه‌حل‌هایی برای افزایش طول عمر مصالح موجود ارائه کرده است. استفاده از محلول‌های نفوذی به درون بافت بتن‌های مسلح و غیرمسلح که موجب آب‌بند شدن و ممانعت از خوردگی آرماتورها می‌شود به افزایش طول عمر بتن و مصالح بتنی در سازه‌ها منجر می‌شود. همچنین رنگ‌های مقاوم به خوردگی روی سازه‌های فلزی منجر به افزایش طول عمر سازه و کاهش سرعت خوردگی پل‌ها، تونل‌ها و ساختمان‌ها می‌شود.

فناوری نانو در حوزه آسفالت و قیر نیز وارد شده است. بتازگی در کشور قیر و آسفالت خودترمیم‌شونده در مقیاس آزمایشگاهی تولید شده است که در این محصولات به‌واسطه مکانیزم رهایش مواد ترمیم‌گر در اثر برخورد ترک با کپسول‌هایی که در سافت قیر یا آسفالت وجود دارد، ترک‌ها ترمیم می‌شود و به این ترتیب عمر و استحکام آسفالت و قیر افزایش می‌یابد. علاوه بر این استفاده از نانورس در ساختار آسفالت نیز منجر به افزایش استحکام و انعطاف‌پذیری آسفالت می‌شود.

اما آیا استفاده روزافزون از علم نانو در ساختمان‌سازی می‌تواند در آینده به از رده خارج کردن مواد مرسوم ساخت و ساز، مثل بتن تقویت شده و... منجر شود؟

اصولا فناوری نانو در جهت بهبود مصالح کنونی و ارائه مصالح جدید به بازار و صنعت ساخت و ساز گام بر‌می‌دارد. فناوری نانو علم مهندسی آگاهانه خواص و مواد و مصالح برای دستیابی به ویژگی‌های بهتر است. بنابراین احتمال از رده خارج شدن محصولات مرسوم و پرکاربرد در صنعت بستگی به قدرت و فراگیر بودن مصالح و محصولات جدید دارد. فرآیند بهبود و ایجاد محصولات جدید یک فرآیند مداوم است و به نظر می‌رسد مصالح مبتنی بر فناوری نانو در آینده بخش مهمی از صنعت ساخت و ساز را دربرگیرد. این سهم لزوما مربوط به مصالح و مواد کاملا جدید نبوده و بیشتر مربوط به مصالح هوشمند و بهینه شده با فناوری نانوست. بنابراین همه مواد در کنار هم می‌تواند سهمی از صنعت ساخت و ساز داشته باشند.

تاکنون چه کاربردهایی از نانو در صنعت ساختمان ما وارد شده است؟

در صنعت ساختمان ایران با توجه به اخبار و اطلاعات موجود فناوری‌های مختلفی ارائه شده‌ است، ولی گستره کاربرد و میزان کاربرد هر محصول یا فناوری کاملا مشخص نیست. شیشه‌هایLow E  یا طیف‌گزین که مانع انتقال حرارت می‌شود، انواع پوشش‌های ضد آب و لک‌نما و منسوجات برای ایجاد خاصیت ضد آب و لک روی مصالح، تولید و تحقیقات مختلف روی بتن‌های مستحکم شده و رنگ‌های عایق حرارت و ضد آب و ضد لک از جمله موارد کاربردی است. البته به این موارد می‌توان کاربردهای دیگری همچون تولید و استفاده از لوله‌های بی‌صدا که صدای حرکت مواد و سیال درون لوله به بیرون انتقال نمی‌یابد، تصفیه‌کننده‌ها و تهویه‌های هوشمند با استفاده از فیلترهای نانو، تولید آزمایشگاهی قیر و آسفالت خود‌ترمیم شونده و تولید و استفاده از آیروژل‌ها در رنگ عایق حرارت را هم اضافه کرد.

گذشته از کاربردهایی که اشاره کردید مطمئنا نانو تکنولوژی در زمینه ارتقای محیط زیست هم می‌تواند موثر باشد. لطفا درباره این امکانات و مصادیق آنها در سازه‌ها بفرمایید.

در بحث ارتقای زیست‌محیطی نیز محصولات بر پایه فناوری نانو هم‌اکنون در صنعت ساخت و ساز استفاده می‌شود. هم‌اکنون مصالح تمیزکننده هوا و کاهنده‌آلاینده‌ها در سطوح در معرض آلودگی‌ها به کار می‌رود و نتایج بسیار خوبی مبنی بر کاهش و حذف آلاینده‌ها توسط این مصالح به‌دست آمده است. مهم‌ترین مصالح در این زمینه بتن، سیمان و رنگ‌های فوتوکاتالیستی است که به‌واسطه مکانیزم فوتوکاتالیست در سطوح حاوی نانوذرات اکسیدتیتانیوم موجب تجزیه مولکول‌های مضر آلاینده مانند انواع اکسیدنیتروژن و ازن می‌شود. این خاصیت در سطح و عمق مصالح سبب تجزیه ذرات و مولکول‌های آلاینده و تولید بخار آب می‌شود و آلودگی‌های سطحی نیز در اثر عبور آب از روی سطح براحتی شسته و از سطح حذف می‌شود. علاوه بر این فناوری نانو از طریق افزایش عمر مصالح و افزایش استحکام مانع فرسودگی و تخریب سازه‌ها و صرفه‌جویی در مصالح و منابع معدنی می‌شود. ممانعت‌کننده‌های عایق نیز مانع اتلاف انرژی حرارتی در ساختمان‌ها می‌شود که از این طریق میزان انرژی مصرفی برای گرمایش و سرمایش کاهش می‌یابد.

از کاربرد مواد نانویی برای رفع آلودگی فضای محیط زندگی و کار هم صحبت شده است. این چنین امکانی چگونه عملی می‌شود؟

به‌طور کلی با استفاده از رنگ‌های نانویی آزادکننده یون منفی که تاثیر زیادی در ایجاد شادابی افراد و ایجاد فضای فرحبخش دارد، می‌توان در محیط کار فضای مناسبی ایجاد کرد. از طرف دیگر استفاده از تصفیه‌کننده‌های هوا و سیستم‌های تهویه مبتنی بر نانوفیلترهای حذف‌کننده آلاینده‌ها در محیط کار موجب ایجاد فضای مطبوع در محیط کار و زندگی می‌شود. در محیط‌های صنعتی نانوفیلترها و تصفیه‌کننده‌های هوا مبتنی بر فناوری نانو راندمان بالاتری برای حذف آلاینده‌ها و گرد و غبار دارند.

بهاره صفوی / گروه دانش