Table of Contents
Understanding Nanotechnology in Construction
ويعيد تشكيل صناعة البناء من خلال الرقابة الدقيقة على الممتلكات المادية على المستوى الذري والجزيئي، ورغم أن هذا المفهوم قد ظل قائما منذ عقود، فقد تسارعت التطبيقات العملية في مواد البناء بشكل كبير في السنوات الأخيرة، ومن خلال التلاعب بمقياس 1 إلى 100 نانومترات، يمكن للمهندسين أن يخلقوا مركبين، ومعاطف، ومضافات تُظهر تحسنا كبيرا في القوة، والقدرة على تحمل الطاقة، بل وفي القدرات الذاتية.
The Scale of Innovation
وتُعدُّ هذه المُبادرة من 1 إلى مليارات من مُعدٍّ يقلّ بنحو 000 100 مرة عن عرض شعر بشري، وفي هذا المقياس، يمكن أن تُهيمن الآثار الكمية ونسب المناطق السطحية إلى الحجم، مما يؤدي إلى تصرف المواد بطريقة مختلفة عن الشكل السائب، فعلى سبيل المثال، تبدو الجسيمات النانوية الذهبية حمراء أو أرباعية بدلاً من أن تُثبت في الألف صفر من الصلب.
Unique Properties at the Nanoscale
وعندما يتقلص حجم الجسيمات إلى منطقة النانوريد، تزداد نسبة ذرات السطح إلى الذرات الداخلية زيادة كبيرة، وهذا المجال السطحي المرتفع يجعل الجسيمات النانوية تفاعلية بشكل استثنائي، ويمكن ربطها بفعالية أكبر بالمصفوفات المحيطة، وبالإضافة إلى ذلك، تصبح العيوب الهيكلية محدودة لأن المواد تكاد تكون ذات أحادية الكريستال في مجالات ذات أبعاد ناوية، ونتيجة لذلك يمكن أن تُشتت التعزيزات المعدنية ذات النطاقات الحرارية.
تشييدات رئيسية من طراز Nanomaterials Transforming
وقد أظهرت عدة أنواع من المواد النانوية بالفعل فوائد كبيرة في تطبيقات البناء، وهي بمثابة مواد مضافة أو معاطف أو مكونات هيكلية في مختلف مواد البناء.
نانو سيليكا
كما أن المادة المحتوية على مادة النانوسيليكا (الجسيمات النانوية) هي واحدة من أكثر المواد النانوية استخداماً في نظم الخرسانة والمسموعة، وتراوحت مضاهاتها بين 5 و100 نانومترات، وعندما تُضاف إلى مزيج الخرسانة، فإن الخلايا النانوية تتفاعل مع الهيدروكسيد الكالسيوم - الناتج الثانوي للهيدران - 5 في المائة من المواد الكيميائية.
Carbon Nanotubes
(ب) إن الأوعية النانوية الكربونية هي جزيئات خلوية من الكربون تحمل شارات تتراوح بين 1 و50 نانومترات وطولات تصل إلى عدة مليمترات، وتمتلك عناصر ميكانيكية وكهربية وخصائص حرارية، وتبحث في البناء، حواجز النفثالينات بوصفها تعزيزات للسمنت وتعددات النوافذ والفلزات، وعندما تتوزع على النحو الصحيح، فإنها تشكل شبكة قادرة على منع انتشار الارت
تيتانيوم ديوكسيد
كما أن ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) النانوبات معروفة على أفضل وجه بالنسبة لممتلكاتها من الفلكات الضوئية، وعندما تتعرض هذه المواد للضوء فوق البنفسج، تولد ثاني أكسيد التيبو 2 أنواعاً من الأكسجين الرجعية يمكن أن تكسر الملوثات العضوية والبكتيريا والمركبات العضوية المتطايرة، وفي البناء، تُطبق المعاطفة على مواد الخرسانة والزجاج والطلاء الخارجي لخلق
نانو كليريس
كما أن البقايا النانوية هي معادن طبيعية، مثل المونتموريليونيت، التي تُنقَط في لوحات صغيرة سميكة واحدة، وكثيرا ما تستخدم كإضافة لتحسين خصائص الحاجز ومقاومة البوليمرات، وفي البناء، تُدمج المؤخرات النانوية في المعاطف، والأختام، والرغاوى، ومواد الحرق.
آليات التعزيز
ويتطلب فهم كيفية تعزيز المواد النانوية لمواد البناء دراسة الآليات المادية والكيميائية في العمل.
تعزيز وطول المدة
وتوفِّر الجسيمات النانوية، مثل النانوسيليكا، ونانووب الكربون، والنانولومينا، آليات تعزيز متعددة، وهي تعمل كمواقع لتقوية منتجات التهوية، وتنشئ هيكلاً صغيراً من الميكروسات ذات حجم أقل، وتملأ أيضاً الفراغات التي من شأنها أن تسمح بخلاف ذلك بتغلغلغل المياه والثباتات العنيفة، وتخفض من انتشار مرحلات التكسيدات الكبريتية والكميات.
التحلل الذاتي وتحليل الفوتوكاتا
وتستخدم المواد النانوية المحتوية على مواد كيميائية مثل ثاني أكسيد التيتانيوم وأكسيد الزنك الضوء لبدء ردود فعل كيميائية تتدهور المادة العضوية، وعندما تُطبق هذه المواد كغطاء رقيق على السطح الخارجي، تُحطّم الملوثات المحمولة جواً وتُطفّل التراب من خلال الأوكسجين، وتُغسل منتجات التفاعل عن طريق مياه الأمطار، وتُبقي الأسطح نظيفة دون عوامل تطهير أو صيانة يدوية().
العزل الحراري والصناعي
كما أن المواد الكيميائية التي تستهلك كميات كبيرة من الطاقة الحرارية تعزز العزل الحرارية عن طريق إنشاء هياكل نابية تحصر الجزيئات الهوائية وتحد من التصريف الحراري، وتشغلها شركة إيرغيلز بنسبة تصل إلى 99.8 في المائة من الهواء مع شبكة من الحراسيات من بين أكثر المواد التي تطوراً من أي وقت مضى، وتتحقق من المواسير الحرارية التي تبلغ ٠,١٥ من وزن الجسم/مبرك.
التخلف عن الحركة
ويمكن أن تؤدي الجسيمات النانوية، مثل نانووبز الكربون، والمزدوجات المائية المزدوجة الطبقات، إلى مقاومة حرائق البوليمرات والملابس، وهي تشكل طبقة محمية تقلل من نقل الحرارة، وتؤخر الإشعال، وتوقف إنتاج الدخان، وفي البناء، يمكن أن تحتفظ أجهزة التكفير النانوية المشتعلة على هياكل الصلب بقدرات التحميل لفترات أطول خلال الحريق، وتعزز السلامة.
تطبيقات عبر مواد البناء
ويجري إدماج التكنولوجيا النانوية في مجموعة واسعة من مواد البناء، يستفيد كل منها من تحسينات محددة قائمة على أساس النانو.
الأسمنت
فالتكنّف هو أكثر مواد البناء استخداما على نطاق العالم، ويتيح التكتل النانو أكبر الإمكانات للتأثير، كما أن إضافة النانو - سليكا أو نانووبات الكربون أو النانو - الومينا يزيد من القوة المضغوطة والمزدحمة، ويقلل من القدرة على التكديس، ويعزز مقاومة دورات التجمّد والهجوم الكيميائي.
الصلب والمعادن
وتستخدم التكنولوجيا النانوية لتحسين الممتلكات الميكانيكية ومقاومة التآكل من الصلب الهيكلي، وتخضع القدرة على التنبؤ بالنواحي النانوية للسيارات والنترات أثناء المعالجة الحرارية لزيادة القوة والقوة دون التضحية بقابلية التخدير، وتوفر المواد المحتوية على الخزف أو الغرافي حماية الحاجز من الرطوبة والكلوريدات وأشعة اليورانيوم.
Glas and Glazing
وتُعدّ مادة نانوتشنولوجياً ذات زجاج معماري ثوري، وتُظهر المعاطف المنخفضة القدرة على الحركة، التي تتكون من طبقات رقيقة من الأكسيد الفضي والفلزي (التي تتراوح بين 10 و100 نانو متر مكتوم) الإشعاعات الحمراء، بينما تُنقل الضوء المرئي، وتُحسّن العزل الحراري بالزجاج المُتصفّر الذي يُصبّ في ظل الضوء الأوّار، ويُستخدم في التنظيف الأحادي.
التكليف والآلات
وتُعدّ المعاطف المتناقلة من بين أولى النجاحات التجارية لعلم النانو في البناء، وتُحدّد المعاطف المضادة للجرافيت التي تُضمّن البوليميرات النانوية أو المفلورة سطحاً يُبدد الطلاء والحبر، ويسمح بالتنظيف السهل بالماء، وتحتوي الطلاءات المضادة للدمغات على سقف فضي أو نانبي يعرقل نمو البنى البكتيريا، والفيروسات.
مواد العزل
وتتاح الآن أغطية وألواح العزل الجوي للزوارق واللوحات القائمة على أساس الجيل الهوائي للتطبيقات السكنية والتجارية على السواء، ويمكن أن تقلل الوزن الخفيف والكفاءة العالية من سميك العزل بمقدار النصف بينما تلبي نفس الأداء الحراري، وتستوعب مواد تغيير المراحل في الجروح النانو وتستوعب المدونات المتأخرة في إطلاقها أثناء الانتقال إلى المرحلة، وتستقر درجات الحرارة الداخلية وتخفض من ارتفاعات الحرارة/العمليات.
الاستحقاقات القابلة للقياس الكمي
ويسفر اعتماد التكنولوجيا النانوية في مجال التشييد عن تحسينات قابلة للقياس عبر مؤشرات أداء متعددة.
عمر الخدمة الموسعة
وقد أظهرت الهياكل الخرسانية المتطورة تمديدات عمرية الخدمات التي تتراوح بين 50 و 100 سنة في بيئات عدوانية مثل التعرض للملح البحري أو المسيل، وقد تؤدي البنية الدقيقة الكثيفة وانخفاض القدرة على إحداث إبطاء في خطى الكلوريدات وثاني أكسيد الكربون، وهما السببان الرئيسيان لتآكل تعزيز الصلب، وعلى سبيل المثال، فإن سطح الجسر الذي يستخدم خرسانة نانسيليكا قد يتطلب أول إصلاح رئيسي لها بعد 75 عاما بدلا من 30 عاما.
تخفيض الصيانة
كما أن التنظيف الذاتي والسطح المضاد للجرافيين يقطعان تواتر الصيانة وتكاليفها بشكل كبير، كما أن التنظيف المطبعي للمبنى الذي ينظّف مرة في السنة مع مواد كيميائية مطوّرة وتنظيفية قد يتطلب فقط تطاير الأمطار العرضية عند تزويرها بأجهزة تيوبوتية ذاتية التحلل الضوئي، كما أن الطلاءات المضادة للأوبئة في مرافق الرعاية الصحية تقلل من الحاجة إلى تكرار التكرار والتخثر.
وفورات الطاقة
ويمكن أن يؤدي تحسين العزل الحراري الذي توفره الطائرات الهوائية ونوافذ نانولجل والزجاج المزود بالنانو - منخفض - إي إلى خفض استهلاك الطاقة التدفئة والتبريد بنسبة 30 إلى 50 في المائة في مبنى مصمم تصميما جيدا، وهذا يعني بالنسبة للمباني التجارية الكبيرة أن يصل إلى عشرات الآلاف من الدولارات سنويا في مدخرات المرافق، وعلاوة على ذلك، فإن مواد التغيير التدريجي ذات الكفاءات النانووية يمكن أن تحول إلى ذروة في التبريد.
الاستدامة
ويساهم علم النانوات في تحقيق الاستدامة بطرق عدة، إذ يخفض من إنتاج المواد الخام وتوليد النفايات المرتبطة بالاستبدال المتكرر، ويمكن أن يحل استخدام المواد النانو - الإشعاعية جزئيا محل الأسمنت (الذي يمثل إنتاجه نحو 8 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية) دون المساس بالأداء، بالإضافة إلى أن التنظيف الذاتي وتنقية الهواء يقلل الحاجة إلى عوامل التنظيف والنشاط الحراري في المناطق الحضرية.
التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع
ورغم إمكاناتها الهائلة، تواجه التكنولوجيا النانوية عدة عقبات تبطئ من اندماجها في أعمال التشييد الرئيسية.
الإنتاج والتكلفة
ولا تزال المواد ذات النوعية العالية في الحجم باهظة التكلفة، إذ أن نانووب الكربون، على سبيل المثال، تكلف 50 إلى 500 دولار للغرام الواحد تبعا لنقاءه ونوعه، مما يجعلها باهظة التكلفة للاستخدام في الخرسانة، وفي حين أن إنتاج المواد النانوية - الساحلية أكثر تكلفة، فإن سعرها لا يزال أعلى من سعر الأسمنت العادي، علاوة على أن الحصول على تفكك مستمر في إطار مصفوفة ذات قيمة أو متعددة.
الصحة والمخاطر البيئية
The high surface reactivity and small size of nanoparticles raise concerns about inhalation and skin absorption during manufacturing, handling, and demolition. Some nanoparticles, such as certain carbon nanotubes, have been shown to cause inflammation and fibrosis in animal lungs when inhaled at high concentrations. The long-term environmental fate of nanomaterials released into air, water, and soil is not understood
الرقابات التنظيمية
وصناعة البناء بطيئة تقليديا في اعتماد مواد جديدة بسبب مدونات البناء وأنظمة السلامة التي تتطلب اختباراً واعتماداً واسعين، وغالباً ما تتحول المواد النانوية إلى فجوة تنظيمية لأنها لا تتناسب بدقة مع الفئات القائمة فيما يتعلق بالإضافات أو المعاطف أو المكونات الهيكلية، حيث تفتقر بلدان كثيرة إلى معايير محددة للعلامات أو معايير أداء لمنتجات البناء التي يمكن تسويتها، مما يجعل المهندسين والمتعاقدين يترددون في تحديد 22 مادة جديدة.
المستقبل توجيهات وجبهة البحوث
ومن المرجح أن يصبح العقد المقبل جزءا لا يتجزأ من تصميم مواد البناء، مدفوعا باتجاهات نحو هياكل أساسية ذكية ومستدامة ومرنة.
Smart Nanomaterials
ويقوم الباحثون بتطوير المواد النانوية التي يمكن أن تستجيب للمواطن البيئي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تتعافى هذه السكك الحديدية التي تحتوي على أحشاء نانوية من التشهير عند التدفئة، مما يتيح إعادة تأهيل الهياكل ذاتيا، ويمكن أن تتحول الجسيمات النانوية التي تولد الكهرباء عند التعرض للإجهاد الميكانيكي إلى أشكال من اليقظة أو إلى مواضع للأخشاب.
التكامل مع معهد إيوت
ويتيح الجمع بين التكنولوجيا النانوية والإنترنت للأشياء رصد الصحة الهيكلية في الوقت الحقيقي في قرار غير مسبوق، ويمكن للمستشعرات القائمة على الكربون - النانووب أن تكشف عن الإجهاد ودرجة الحرارة والرطوبة في آلاف النقاط داخل شعاع ملموس، ويمكن نقل البيانات المستمدة من هذه أجهزة الاستشعار عن بعد إلى منصة سحابية حيث تؤدي أجهزة الاستشعار القائمة على الآلات إلى تقييم الأضرار والتنبؤ ببقايا البنية التحتية.
علم النانوات المُلهم بيولوجياً
فالطبيعة توفر الإلهام لمواد البناء الجديدة، فعلى سبيل المثال، فإن النكرة (أم اللؤلؤ) تدين بقسوتها في هيكل من الطوبات الطوبية واللوحات النباتية، التي لا يمكن أن يستنسخها العلماء إلا باستخدام الناطقين بالجملة والبوليمرات لإنشاء مركبتين قويتين وخفيفة الوزن، وملموس للتسخين الذاتي يُحدث عمليات التعافي البيولوجي من خلال إعادة إطلاق البلازما.
خاتمة
فالعلم النانوي يغير بشكل أساسي من مظروف أداء مواد البناء، إذ من الخرسانة النانوية التي تستمر مرتين إلى الكأس المنظف ذاتياً والتي تقلل من الصيانة وتحسن نوعية الهواء، فإن الفوائد ملموسة ومتنامية، وفي حين أن التحديات المتصلة بالتكلفة والسلامة والتنظيم لا تزال قائمة، فإن التعاون الجاري في مجال البحث والصناعة يتغلب بسرعة على هذه الحواجز، فعلم الصغر جداً ما زال ينضج، وسيزداد أثره على البيئة المبنية.