Nanotechnologia a budownictwo (cz. I)

Nanotechnologia zajmuje się badaniem oraz tworzeniem świata w skali pojedynczych nanometrów, czyli miliardowych części metra. Jak dotąd, jest to najbardziej interdyscyplinarna dziedzina nauki, jaka kiedykolwiek powstała. Łączy w sobie tak różne dyscypliny naukowe jak medycyna, chemia, biologia, biotechnologia, fizyka, badania nad materiałami, inżynieria, nowoczesna elektronika oraz wiele innych.

Pionierami ekstremalnej miniaturyzacji byli amerykańscy naukowcy, laureat Nagrody Nobla prof. Richard P. Feynman, a później dr K. Eric Drexler.

Jako pierwsi, w drugiej połowie XX wieku, określili oni założenia teoretyczne nowej dziedziny nauki oraz zaproponowali możliwości praktycznego jej wykorzystania.

Nanotechnologia stała się modna, jest synonimem rozwoju, nowoczesności i postępu, a co najważniejsze - potrzebna. Nie ma dnia, by naukowcy nie odkryli nowych zaskakujących właściwości materiałów o rozdrobnieniu nanometrycznym. Coraz więcej technologii i materiałów stosowanych w budownictwie zostaje radykalnie zmienionych, wzbogaconych o dodatki nanomateriałów, a przez to udoskonalonych.

Osiągnięcia nanotechnologów wyprzedzają stosowane obecnie technologie o wiele lat.

Element strukturalny nano tak ma się w wielkości do piłki nożnej, jak piłka nożna do kuli ziemskiej.
(rys. dzięki uprzejmości BBK „eCentrum” http://www.res-bona.pl/)

Nanotechnologiczna recepta na korozję

Jednym z głównych problemów, z jakimi mają do czynienia inżynierowie stosujący elementy wykonane z metalu, jest korozja. Standardowym rozwiązaniem stosowanym dotąd przy zabezpieczaniu konstrukcji metalowych jest malowanie ich powierzchni odpowiednią farbą. Odpowiedzią nanotechnologów na potrzeby przemysłu budowlanego wykorzystującego elementy metalowe są “inteligentne” lakiery, które w sposób aktywny reagują na zmienne warunki otoczenia (np. zmiany wilgotności, pH, zniszczenie czy zadrapanie zabezpieczanej powierzchni). Nowoczesne “aktywne” powłoki lakiernicze zawierają w swoim składzie nanokontenery, ultra małe pojemniki, wewnątrz których zmagazynowane są środki chemiczne zapobiegające korozji. Zewnętrzne otoczki nanotechnologicznego dodatku wzbogacającego lakier są wykonane z materiałów reagujących na pierwszy objaw korozji, jakim jest zmiana pH powierzchni. W ten sposób, gdy atakuje korozja, zmieniając lokalnie właściwości fizykochemiczne powłoki, następuje zmiana struktury otoczki zewnętrznej nanokontenera, która staje się półprzepuszczalna, umożliwiając wydostanie się środka przeciwdziałającego rozwojowi procesu korozji. System taki pozwala na wczesną, lokalną (w skali nanometrów) antykorozyjną interwencję, a gdy objawy korozji zostaną zneutralizowane, aktywne nanododatki powracają do pierwotnego stanu, czyniąc ochronną warstwę niezmienioną. Elementy metalowe pokryte aktywnymi antykorozyjnymi farbami wytrzymują pięciokrotnie bardziej agresywne warunki niż tradycyjnie zabezpieczone fragmenty metalu.

"Magiczne" właściwości szyb

Ciekawym osiągnięciem nanotechnologii są samoczyszczące się oraz nie parujące powierzchnie szklane uzyskane w wyniku modyfikacji odpowiednimi nano-materiałami.

Efekt samoczyszczenia się powierzchni znany jest w świecie natury, gdzie najbardziej spektakularnym przykładem są właściwości liści kwiatu lotosu, czy powierzchni skrzydeł niektórych owadów.

Przyczyna "efektu lotosu" leży w szczególnej/podwójnej strukturze powierzchni. Wykazuje ona małe wzniesienia komórek, które przesycone są jeszcze mniejszymi kryształkami. Powoduje to, że krople wody, padające na liść, przybierają ze względu na swoje naprężenie powierzchniowe postać kuli i spływając z listka, zabierają ze sobą zanieczyszczenia.

By powierzchnie szklane nie wymagały permanentnego czyszczenia, więcej - by same czyściły się wraz z padającym deszczem, niezbędna jest powierzchniowa modyfikacja szyby. Opracowano już szereg metod, które zmieniają właściwości szkła tak, by zmodyfikowana powierzchnia stała się hydrofobowa (wodowstrętna) lub nawet superhydrofobowa.

Powierzchnia superhydrofobowa charakteryzuje się tym, iż leżące na niej krople wody tworzą niemal idealne kule. Cennym dla konstruktorów jest fakt, iż dzięki wodowstrętnym właściwościom szklane powierzchnie po deszczu pozostają czyste. Brak na nich brudu oraz śladów po wysychaniu kropel, gdyż cała woda wraz z brudem spłynęła z powierzchni szkła. Te cechy są niezwykle przydatne w wypadku wielkich konstrukcji budowlanych o elewacji wykonanej ze szkła. Brak konieczności czyszczenia szyb w wysokich budynkach niesie za sobą ogromne oszczędności w ich eksploatacji.

Ponieważ tradycyjne elewacje budynków narażone są na podobne niekorzystne warunki skutkujące szybkim zabrudzeniem, naukowcy opracowali również superhydrofobowe polimerowe materiały, które w postaci cienkiej folii można nanosić na elewacyjne elementy.

Innym problemem, jaki udało się rozwiązać nanotechnologom jest zapobieganie “zaparowaniu”, tak charakterystycznemu dla witryn sklepowych oraz szyb samochodowych.

Nigdy nie parujące szyby powstają dzięki modyfikacji ich powierzchni tak, by stała się ona całkowicie hydrofilowa (wodolubna). Tak zmodyfikowaną powierzchnię woda pokrywa jednorodną, cienką warstwą, niewidoczną dla oka. W efekcie otrzymujemy powierzchnię, która choć eksponowana na warunki skutkujące zaparowaniem normalnych szyb, nigdy nie przestaje być przezroczysta, sprawiając wrażenie idealnie suchej.

Nano-farby

Ludzie przebywający lub pracujący w budynkach użyteczności publicznej często narażeni są na obecność w powietrzu nieprzyjemnych zapachów oraz różnego rodzaju chorobotwórczych patogenów (np. bakterii). Szkodliwe i uciążliwe zapachy mogą wydzielać się z nowych mebli, syntetycznych podłóg oraz wszelkiego rodzaju powierzchni lakierowanych. Tego typu lotne chemikalia mogą być neutralizowane poprzez nanotechnologiczny komponent farb, którymi można malować wewnętrzne ściany pomieszczeń. Zmodyfikowane farby zawierają składnik, który będąc fotokatalizatorem uaktywnia swe działanie pod wpływem światła. Aktywowany światłem fotokatalizator przekształca lotne związki chemiczne w mniej uciążliwe i mniej szkodliwe dla zdrowia substancje, czyniąc powietrze niemal tak czystym jak powietrze otwartych przestrzeni.

Opracowano również farby, które uniemożliwiają rozwój drobnoustrojów na malowanych powierzchniach. Farby te idealnie nadają się do szpitali, przedszkoli, szkół, czy żłobków. Zastosowanie antybakteryjnych farb jest niemal koniecznością na salach operacyjnych oraz w innych pomieszczeniach szpitalnych, jak również w restauracjach, kinach i teatrach.

Antybakteryjne farby są produktami w pełni ekologicznymi. Głównym składnikiem tych farb jest woda, w której zawieszone są pigmenty, spoiwo polimerowe oraz nanocząstki antybakteryjne. Głębsze warstwy powłoki wykazują identyczne właściwości, jak jej zewnętrzna powierzchnia, stąd jej zarysowanie nie skutkuje zniszczeniem przeciwdrobnoustrojowych właściwości pomalowanej ściany.

Naturalne materiały, takie jak papier czy bawełna, są równie często wykorzystywane w budownictwie, między innymi przy produkcji paneli podłogowych, tapet, wszelkiego rodzaju zasłon itp. Dzięki zastosowaniu nowych metod można obecnie wytworzyć różnego rodzaju produkty przydatne w budownictwie, których wyjściowym materiałem jest papier, bądź włókno bawełniane, a które są całkowicie odporne na wzrost na ich powierzchni mikroorganizmów. Tego typu nanomodyfikacje skutkują również wzrostem odporności danego produktu na szkodliwe działanie promieniowania słonecznego, w tym przede wszystkim promieniowania ultrafioletowego (UV).

Wynika to z faktu, iż modyfikowane nanotechnologicznie naturalne materiały zawierają na powierzchni silnie reaktywne cząsteczki chemiczne o działaniu antybakteryjnym, które uaktywniają się podczas absorpcji promieniowania nadfioletowego (UV) zawartego np. w świetle słonecznym. W ten sposób promienie UV są silnie (niemal w 100%) pochłaniane przez nanowarstwę o antybakteryjnym charakterze, nie niszcząc wewnętrznej struktury naturalnych materiałów.

Bawełniane włókna można dodatkowo chemicznie zmodyfikować w taki sposób, iż wyprodukowane z nich tkaniny wykazują właściwości samoczyszczące. Poplamione winem, czy kawą tkaniny same „usuwają” plamy w trakcie ekspozycji na promieniowanie UV zawarte w świetle słonecznym.

W następnej części artykułu omówione zostanie m.in. zastosowanie nanorurek węglowych.