Table of Contents
نانشنولوجيا ومواد بنية أساسية: مسار جديد للأداء
إن البيئة المبنية من الجسور والطرق السريعة إلى شبكات الطاقة وشبكات المياه تعتمد على المواد التي يجب أن تتحمل أعباء قصوى وطقساً ووقتاً، وتخفض على مدى عقود من التحسينات التدريجية في الصلب والخرسانة والمسالك الأساسية التقدم، ولكن هناك تحولات كبيرة في مجال المواد الأساسية، وتزيد من حجم المواد التي تُعد بها المواد غير القابلة للتداول على سطح الأرض.
ما هو علم النانو؟ مؤسسة في السلالة الذرية
وينطوي علم النانو على تصميم ووصف وتطبيق الهياكل والأجهزة والنظم عن طريق التحكم في الشكل والحجم على أساس قياس النانومترات من 1 إلى 100 نانومترات، وفي هذه الأبعاد، تظهر المواد خصائص تختلف اختلافا كبيرا عن نظيراتها في السوائب، فعلى سبيل المثال، تبدو الجسيمات النانوية الذهبية حمراء أو أرجوانية، وتزداد نسبة النانويب الكربون من الفولاذ ولكن سادس.
الآليات الرئيسية خلف التحسينات النانوية
وتفسر عدة آليات سبب تجاوز المواد النانوية للمواد التقليدية، أولاً، أن الجسيمات النانوية لها مساحة سطحية عالية جداً مقارنة بحجمها، مما يزيد من مناطق التفاعل مع المواد المحيطة بها، ففي مواد ملموسة، على سبيل المثال، تقاوم الجسيمات النانو - السيليكية فراغات بين أحشاء الأسمنت، مما يؤدي إلى بلورات أقوى، ويمكن أن تؤدي آثار العزل الكميائي الثانية إلى تغيير الممتلكات الإلكترونية، أو مواد الدفع المعيبة.
Transforming Concrete: The Most Ubiquitous Infrastructure Material
فالواقع هو أكثر المواد التي صنعها الإنسان استخداما على نطاق واسع على الأرض، ومع ذلك فهو عرضة للكسر والهجوم الكيميائي والكربون، وتوفر التكنولوجيا النانوية حلولا في كل مرحلة من مراحل دورة الحياة الملموسة.
نانو سيليكا ونانو - ألومينا
وتزيد هذه الهياكل الكيميائية المشابهة التي تصيب الجسيمات النانوية من حيث أنها تضيف إلى معجون ثاني أكسيد النسيج وتزيد من قوة الجيل التي تتعرض لها مباشرة، وتظهر الدراسات أن إدماج ١-٣ في المائة من الملح النانو - السيليكا بواسطة وزن الإسمنت، يمكن أن يزيد من القوة المضغوطة بنسبة ٢٠-٣٠ في المائة.
خدمات الصحة الذاتية عن طريق نانوكابسوليس
وقد طور الباحثون أكاذيب ناوية مليئة بالوكلاء المشفىين (مثل الأبقار أو الأبراج البكتيرية) التي تجسد في الخرسانة، وعندما تتمزق الكسور، تمزق الكبسولات، مما يُطلق سراح الوكيل لإغلاق الشق، وهذا التئام الذاتي يقلل من الحاجة إلى التفتيش اليدوي والإصلاح، ويخفض تكاليف دورة الحياة، وقد أظهرت التجارب الميدانية الأخيرة على الرصيفات العالية أن الميكانيكية قد ارتفعت إلى 80 في المائة.
مركبة مركبية متحركة من طراز Nano-Engineered
ومن خلال تفريق النانووبات الكربونية أو أكسيد الغرافين في معجنات الأسمنت، يقوم الباحثون بإنشاء جهاز توجيهي كهربائي يمكنه رصد شكله الخاص من أشكال رصد الصحة الهيكلية، ويمكن لهذه المواد الذكية أن تكشف عن زيادة الحمولة أو الإهانة أو حتى التآكل قبل حدوث أضرار واضحة، مما يتيح الصيانة المتوقعة.
الصلب والمعادن: أقوى، لايتر، ممرّض أكثر
ولا يزال الصلب العمود الفقري للهياكل ذات النطاقات الكبيرة، ولكن إمكانية التآكل والارتباك تحد من العمر، وتعالج التكنولوجيا النانوية هذه نقاط الضعف من خلال صقل الحبوب وأجهزة التغليف الواقية.
شلول نانو مُهيكل
إن المعالجة الحرارية التي تنتج أحجاما دون ١٠٠ نانومترات تولد فولاذاذيا بمواطن غلة تتجاوز ٠٠٠ ١ من البكالوريوس بينما تحافظ على القدرة على الصنادل، ويتم ذلك عن طريق التحكم في تهيؤ العجلات والنترات على نطاق نانو، ويسمح هذا الفولاذ المتصاعد بقطع هيكلية أخف، مما يقلل من الاستخدام المادي، ومن الحمولات الأساسية، مثلا، في المباني المرتفعة الحد من البنى )٢٠ في المائة(.
مكافحة الفساد
وتستكمل أو تستبدل الزنك التقليدي بغطاءات نانوية تحتوي على الجرافين أو النانوكلاي أو الجسيمات النانوية الألومنيوم، وتشكل هذه المعاطف حاجزاً غير قابل للتداول للأكسجين والرطوبة، وتبطئ التآكل بشكل كبير، وتغذي بعض التركيبات ذاتياً: إذا خُدشت، فإن صيانة المواد النانوية المزروعة ترتفع إلى المنطقة الجديدة والشكل.
Asphalt and Road Infrastructure
وتعاني رصفات الطرق من التغوط والكسر والأكسدة، وتوفر التكنولوجيا النانوية سبلا لتعزيز أداء المربط وطول فترة الحياة في الرصيف.
بنادق متحركة
فإضافة نانوكاليات، أو نانو سيليكا، أو نانووب الكربون إلى مربط الأسفلتات، يؤدي إلى تحسين مقاومة عالية الحرارة (تخفيض التمزق) ومقاومة التشقق ذات الحرارة المنخفضة، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يزيد معدل تهدئة الأسفلت بنسبة تتراوح بين 10 و 15 درجة مئوية، مما يتيح لنفس الرصيف معالجة حركة المرور الأثقل مقارنة باختبارات الصيف الساخنة.
خدمات الصحة الذاتية
وقد تم إدماج المستأنفين المكثفين في المزلاج النانو والميكروي في المزج الفطري، وعندما تتطور الميكروكات، تكسر الكبسولات وتطلق الزيوت التي تخفف من العمر وتغلق الشقوق، وقد تم بنجاح اختبار هذه التكنولوجيا على الطرق الرئيسية في هولندا والمملكة المتحدة، مع زيادات متوقعة في العمر تتراوح بين 25 و30 في المائة وما يرتبط بذلك من تخفيضات في تكاليف الصيانة واضطرابات حركة المرور.
المركب المتقدم للنظم الهيكلية للوزن الخفيف
وقد استخدمت بالفعل البوليمرات المجهزة بالمركبات المجهزة بالمركبات في إعادة التدمير والبناء الجديد، كما أن إضافة الجسيمات النانوية يزيد من تعزيز خصائصها الميكانيكية والوظيفية.
Carbon Nanotube-Reinforced Composites
وتفرق نانووب الكربون المتعددة الجدران في مصفوفات الأوكسي تولد مركبتين بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة من القوة العالية التوتر وتحسن المقاومة الدهنية، وهذه المواد هي مثالية لطوابق الجسور، ورموز التربين الريح، وإعادة التقلب السيزمي، علاوة على ذلك، فإن السلوك الكهربائي للنفثالينات يصبح في حد ذاته مضبوطاً للاستشعار الخارجي.
Graphene-Enhanced Polymers
ويمكن إدماج نانوبلات غرافين في المعاطف والارتفاعات والمركبات الهيكلية، حيث أن خصائصها الحاجزية الاستثنائية وسلوكها الحراري تجعلها قيمة لمعاطف التكفير في الهياكل الأساسية البحرية وللإدارة الحرارية في النظم الكهربائية، وقد أظهرت البحوث التي أجرتها جامعة مانشيستر أن إضافة نسبة 0.02 في المائة فقط من أكسيد الغرافيين إلى الأسمنت قد زادت من قوة الضغط بأكثر من 40 في المائة و 60 في المائة.
ذاتي الطلقات ومواجهات الهواء
وتطبق المواد النانوية المسببة للضوء، التي تمثل أساسا ثاني أكسيد التتانيوم (TiO2) على مراكب البناء، والرصف، وسدود الأنفاق، وتنتج هذه المركبات من الطين الفوقي المحتوي على التحلل السطحي الفوقي، و " المسببات الهيدروكسيلية الارتجاعية " التي تكسر الملوثات العضوية، وتقتل مركبات النيتروجين المشتعلة.
تعزيز العزل وكفاءة الطاقة
ويشكل استهلاك الطاقة في المباني نحو 40 في المائة من انبعاثات الكربون العالمية، ويحسن علم النانوات تحسيناً كبيراً أداء العزل الحراري دون زيادة سُمكه.
Aerogel-Based Insulation
أما الطائرات الهوائية، التي تتكون من ما يصل إلى 99.8 في المائة من الهواء المحاصر في شبكة حرارية، فتتمثل في أدنى قدر من السلوك الحراري لأي مادة صلبة (رقم 015 W/mK) وتُستخدم في العزل الشفاف للنوافذ، وكذلك في لوحات الاختراق بالنسبة للجدارات والأسطح، ولأن الهشاشات الهوائية هي في كثير من الأحيان تجعلها تُدمج في الألياف أو في فراغات.
التكويجات النانوية لـ (ويندوز)
ويظهر المبيدات النانوية الانتقائية الانتقائية (مثل أكسيد الفضة والقصدير في الأنديز) التي تستخدم على الاشعاع بالأشعة تحت الحمراء عند إشعال الضوء المرئي، مما يقلل من مكاسب الحرارة الشمسية في الصيف ويحتفظ بالحرارة في الشتاء، ويقطع حمولات البيوتادايين السداسي الكلور بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة، وهذه المعاطف هي بالفعل معيار في العديد من مشاريع البناء الأخضر.
أجهزة الاستشعار والرصد الهيكلي للصحة
ويسمح علم النانو بالرصد المستمر والموزع لأداء الهياكل الأساسية، كما أن الجسيمات النانوية المتطورة (مثل أكسيد الزنك) التي تُدرج في الطلاء أو المعاطف تولد فولطا عندما يصبح جهازاً محاطاً، مما يتيح الكشف في الوقت الحقيقي عن الإجهاد أو الاهتزاز أو تشكيلات التنبيه، كما أن المراكب العاملة للكربون في الإسمنت أو مركبات البوليمركية تغير المقاومة الكهربائية
فوائد علم النانو في البنية التحتية
ويحقق إدماج المواد النانوية في الهياكل الأساسية مزايا قابلة للقياس عبر أبعاد متعددة.
عمر الخدمة الموسعة
فبخفض التعقب الدقيق والهجوم الكيميائي والارتداد، يمكن أن تضاعف أو تضاعف الحياة التصاميمية للهياكل الخرسانية، وجسور الصلب، ومصفوفات الأسفلت، على سبيل المثال، أظهرت الخرسانة النانوية أداء متسارعاً لمدة 75 عاماً يعادل الخرسانة التقليدية التي تبلغ 40 عاماً.
خفض تكاليف دورة الحياة
وعلى الرغم من أن التكاليف الأولية قد تكون أعلى بنسبة ١٠-٣٠ في المائة، فإن مجموع تكلفة الملكية على مدى عمر الهيكل كثيرا ما ينخفض بنسبة ٢٥-٥٠ في المائة بسبب انخفاض الصيانة والإصلاح وتواتر الاستبدال، إذ أن مواد التعافي الذاتي وحدها يمكن أن تقلل تكاليف التفتيش بنسبة ٤٠ في المائة وتتجنب تكاليف تعطيل حركة المرور.
الاستدامة البيئية
وتخفض المواد الطويلة الأمد من استخراج المواد الخام وتوليد النفايات، وتخفض كفاءة الطاقة من التناحر وعزل الهروجيل انبعاثات الكربون التشغيلية، وتزيل الأسطح الفوتوغرافية الملوثات، وتسهم في الهواء الأنظف في المناطق الحضرية، وتحتاج الفولاذات ذات البنية النانوية الخفيفة إلى مواد أقل، وتخفض طاقة النقل، وعموما، تدعم التكنولوجيا النانوية الانتقال إلى بنية تحتية صافية.
تعزيز السلامة والقدرة على التكيف
إن المواد الأقوى والمزيد من المواد الخلوية تتحسن مع الزلازل والأعاصير ودرجات الحرارة القصوى، فالرصد الذكي يوفر الإنذار المبكر بالضيق الهيكلي، ويحول دون حدوث إخفاقات كارثية، وقدرة التعافي الذاتي تعني أن الضرر الصغير لا يتحول إلى إخفاقات كبيرة.
التحديات والحواجز أمام التبني
ورغم وعدها، فإن انتشار التكنولوجيا النانوية على نطاق واسع في الهياكل الأساسية يواجه عقبات كبيرة.
ارتفاع تكاليف الإنتاج والتجهيز
ولا تزال المواد النانوية ذات النقاء المرتفع مثل نانووب الكربون أو الرسوم البيانية، كثيفة التكلفة ومكلفة، وتزداد وفورات الحجم، ولكن التكاليف الحالية قد تكون أعلى من الإضافات التقليدية بنسبة ١٠ إلى ١٠٠ مرة، وبالنسبة لمشاريع البنية التحتية الكبيرة، يجب تبرير أقساط التكاليف بالوفورات المناظرة في دورة الحياة.
القدرة على التصعيد والصناعات التحويلية
ولا تترجم النجاحات على نطاق المختبرات دائما إلى الإنتاج الميداني، فالتفكك الموحد للجسيمات النانوية في المواد السائبة أمر صعب؛ ويمكن للتجمع أن يقلل من الفعالية أو حتى أن يخلق نقاطا ضعيفة، كما أن مراقبة الجودة في جميع بوافذ البناء صعبة، ولا تزال أساليب الاختبار الموحدة وبروتوكولات الإنتاج آخذة في الظهور.
الصحة والسلامة والمخاطر البيئية
ولا يفهم تماماً مصير المواد النانوية وآثارها الصحية الطويلة الأجل، إذ يمكن أن يتسبب استنشاق الجسيمات النانوية السائبة في تهاب الرئة، وقد يؤثر الهروب من السطحات المعالجة بالنانوية على النظم الإيكولوجية، فاللوائح تختلف حسب الولاية القضائية، والاستخدام الواسع النطاق يتطلب تقييمات شاملة للمخاطر وتدابير لحماية العمال، والتنمية المسؤولة، بما في ذلك تحليل دورة الحياة واستراتيجيات التخلص الآمن، أمر أساسي.
الثغرات التنظيمية والتوحيدية
ولم تواكب مدونات قواعد البناء ومعايير المواد الابتكارات النانوية، وكثيرا ما يواجه المهندسون شكوكا في تحديد هذه المواد لأن ضمانات الأداء وبيانات القابلية للدوام الطويلة الأجل محدودة، والجهود الدولية، مثل الجهود التي تبذلها المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس (اللجنة التقنية 229) و ASTM (E56)، قد تستغرق عقدا أو أكثر.
التصور العام والصناعة
وصناعة البناء متحفظة تقليديا، تعتمد على مواد ثبتت جدواها مع عقود من سجلات المسارات، ويمكن أن تباطأ عملية التوثيق أو الخوف من مخاطر غير معروفة، ومن المهم للغاية أن يُعتمد التعليم والمشاريع الإيضاحية التي تثبت الموثوقية وفعالية التكلفة.
التوقعات المستقبلية: سمارتر، البنية التحتية الخضراء
ومع تسارع البحوث واتساع نطاقات التصنيع، ستصبح التكنولوجيا النانوية جزءا لا يتجزأ من تصميم الهياكل الأساسية وبناءها، وهناك اتجاهات عديدة تتجه إلى تشكيل العقد المقبل.
التكامل مع التوائم الرقمية واليو تي
وستغذي أجهزة الاستشعار القائمة على المواد النانوية البيانات في نماذج التوأم الرقمية، مما يتيح تحقيق الاستخدام الأمثل للأداء في الوقت الحقيقي، ويمكن لهذه النظم، بالاقتران مع الاستخبارات الاصطناعية، التنبؤ بالفشل، والجدول الزمني للإصلاحات، وتوسيع نطاق حياة الأصول، ونتيجة لذلك، الهياكل الأساسية التي " تخاطب " مشغليها.
النانومات المُلهمة بيولوجياً من أجل الاستدامة
فالطبيعة توفر مخططات للمواد القوية والضئيلة والذاتية، وتعالج نفسها بنفسها، على سبيل المثال، نقل هيكل النكرير (أم أبار) مع مربيات الطين والبوليمر المركبين بقوة استثنائية، وهذه النُهج المُستنزِمة أحيائياً ستؤدي إلى توليد المواد الخضرة.
نانشنولوجيا لعزل الكربون
ويمكن لبعض المواد النانوية، مثل نانو - ميغاغو أو نانو - كايكو 3، أن تستوعب ثاني أكسيد الكربون أثناء العلاج أو الاستخدام، ويقوم الباحثون بتطوير خرسانة " مسببة للكربون " تخزن المزيد من الكربون عما يتم انبعاثه أثناء الإنتاج، وتقوم النباتات الرائدة بالفعل بإنتاج هذه المواد، ويمكن أن يؤدي التوسع إلى تغيير البصمة الكربونية للصناعة.
الهياكل الاستشعار الذاتي والتطبيقية
وبالإضافة إلى الرصد، يمكن أن تستجيب المواد المقبلة بفعالية للتغييرات، إذ أن السكك الحديدية الشبيهة، إلى جانب الجسيمات النانوية، يمكن أن تغير الشدة أو الشكل استجابة للحمولة أو الحرارة، مما يخلق جسوراً مكيفة تخفف من حدة اليقظة أو تتكيف مع حمولات الرياح، وهذه المفاهيم تظل تجريبية إلى حد كبير، ولكنها تحمل وعداً كبيراً بالهياكل الأساسية التي تتجاوز طاقتها.
خاتمة
إن التكنولوجيا النانوية ليست مستقبلا بعيد المنال، بل هي بالفعل إعادة تشكيل المواد التي تشكل بيئتنا المبنية، ومن الخرسانة القوية والمتحمّلة ذاتيا إلى النانويات الخفيفة والملابس الصبغية، والأثر على أداء الهياكل الأساسية ملموس ومتنامي، وفي حين أن التحديات المتعلقة بالتكلفة، والقابلية للتكرار، والتنظيم لا تزال، فإن المسار واضح:
المراجع الخارجية: ]