Włos dzielony na sto tysięcy części
Nanorurki węglowe o średnicy od kilku do kilkudziesięciu nanometrów[1] (milionowych części milimetra - w przybliżeniu stutysięczna część średnicy włosa) stanowią zwinięte w rulon płaszczyzny utworzone z atomów węgla. Mogą one być pojedynczo ścienne lub wielościenne, gdy utworzone są z wielu koncentrycznie zwiniętych warstw atomów węgla. Naukowcy zaproponowali już ich zastosowanie niemal w każdej dziedzinie życia: zaczynając od zastosowań medycznych, a na budownictwie kończąc.
Jednym z najpoważniejszych testów materiału, który ma być stosowany w budownictwie, jest jego odporność na płomienie. Sposób, w jaki materiały podlegają degradacji termicznej i spalaniu, jest ważnym czynnikiem, decydującym o jego zastosowaniu przy realizacji konkretnego projektu.
Zwiększenie odporności wyrobów wykonanych z różnego rodzaju polimerów jest drogie, a często nieekologiczne. Zastosowanie niektórych środków chemicznych dla zwiększenia odporności plastików na płomienie jest w wielu krajach zabronione ze względu na toksyczność stosowanych w tych metodach chemikaliów.
Nanotechnolodzy odkryli zaskakujące właściwości nanorurek węglowych, które dodane do mas polimerowych zwiększają ich odporność na działanie wysokiej temperatury.
Okazało się, iż nawet pół-procentowy dodatek nanorurek węglowych skutecznie zwiększa termoodporność zmodyfikowanego w ten sposób plastiku. Pod wpływem wysokiej temperatury następuje reorganizacja układu nanorurek zawartych w plastiku, w taki sposób, iż tworzą one odporną na płomienie porowatą sieć. Kawałek nanotechnologicznie wzbogaconego plastiku (będącego nanorurkowo-polimerowym kompozytem) podczas pożaru zmienia swe właściwości fizykochemiczne, stając się materiałem zbliżonym w swym charakterze do żelu.
Dzięki minimalnej domieszce nanorurek węglowych powstają niepalne syntetyczne materiały z tworzyw, które bez tego dodatku łatwo ulegają zniszczeniu w wysokiej temperaturze, stanowiąc często duże zagrożenie dla zdrowia oraz życia ludzi.
Najbardziej wytrzymały materiał
Standardowo otrzymywane nanorurki węglowe o średnicy od kilku do kilkudziesięciu nanometrów nie są zbyt długie. W zależności od metody syntezy, maksymalna ich długość może dochodzić do kilkunastu milimetrów. Istnieje jednak technika, która pozwala na przędzenie nanorurkowych włókien o nieograniczonej długości, podobnie jak wytwarza się włóczkę.
Tego typu włókna wykazują wyjątkowe właściwości będąc materiałem niezwykle wytrzymałym mechanicznie i odpornym zarówno na czynniki fizyczne, jak i chemiczne, a przy tym zachowują doskonałe właściwości elektryczne (włókna te przewodzą prąd elektryczny).
Zmodyfikowane nanokryształkami diamentu (które na etapie syntezy wytwarzane są wewnątrz struktury węglowych włókienek) tworzą najbardziej wytrzymały materiał, jaki kiedykolwiek powstał na Ziemi w sposób naturalny, czy też wytworzony ręką ludzką!
Nanorukowo-diamentowe włókna węglowe są tysiące razy bardziej wytrzymałe od stali i stanowią materiał, który bez trudu znalazłby praktyczne wykorzystanie w budownictwie.
Włókna nanorurkowe wzbogacone dodatkowo nanokryształkami diamentu są nie tylko wytrzymałe na rozciąganie i zginanie, ale również mają doskonałą odporność na zniszczenia wywołanym tarciem. Jedynym problemem hamującym wkroczenie tego super wytrzymałego materiału do budownictwa jest obecnie jego bardzo wysoka cena.
Także „zwykle” nanorurki węglowe, zastosowane jako włókna wzmacniające, pozwalają w znacznym stopniu udoskonalić właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe betonu, a nawet stali.
Innym materiałem, którego zastosowanie w budownictwie to tylko kwestia czasu, jest nanopianka utworzona z odpowiednio zmodyfikowanych nanorurek węglowych. Nanorurki tworzące cienką warstwę są spiekane w wysokiej temperaturze, co powoduje zmianę ich właściwości i powstanie najbardziej wytrzymałej i najbardziej odpornej na ściskanie pianki na świecie! Nanorurkowa pianka może być odkształcona nawet o 85%, przy czym jej struktura nie ulegnie jakiemukolwiek uszkodzeniu. Po ustąpieniu siły ściskającej materiał powróci do wyjściowej formy całkowicie niezmieniony! Tak przygotowana pianka może tysiące razy być ściskana i rozprężana, a i tak pozostanie w doskonałym stanie. Tego typu materiał idealnie nadaje się do zastosowań praktycznych, jako nowoczesny izolator wstrząsów.
Nanomodyfikacjom poddawane jest także drewno, a ściślej mówiąc włókna celulozowe, które w wersji nano osiągają 25% wytrzymałości nanorurek węglowych, są jednak znacznie tańsze. Co więcej, przeprowadzane eksperymenty wskazują na możliwość ich przekształcenia w materiał super izolujący, a nawet półprzewodnik o właściwościach fotowoltaicznych, który można użyć w bateriach słonecznych. Zewnętrzna okładzina z drewna mogłaby jednocześnie stanowić wielką baterię słoneczną! Podobne projekty dotyczą szkła o właściwościach fotowoltaicznych.
Prowadzone są również eksperymenty nad uzyskaniem samonaprawiającego się betonu przez wprowadzenie do jego wnętrza nano kapsułek kleju, który samoczynnie wypełni każde pęknięcie już w chwili jego powstania.
Superizolator termiczny
Problem nieszczelności termicznej budynków jest jednym w ważniejszych dla budownictwa. Obecnie obserwowana jest duża wrażliwość inwestorów na fakt, by zastosowane technologie zapobiegające ucieczce ciepła były jak najbardziej wydajne.
Dostępne dziś materiały i technologie ocieplania budynków mają parametry techniczne, których wręcz nie wypada porównywać z właściwościami superizolatora, jaki został opracowany przez nanotechnologów.
Nanoizolator to materiał, który swą strukturą przypomina styropian, z tą różnicą, że przestrzenie, w których zamknięte jest powietrze mają średnicę nie milimetrów, jak to ma miejsce w styropianie, a kilku nanometrów (czyli miliony razy mniejsze!).
Ta modyfikacja spowodowała znakomite polepszenie parametrów izolacyjnych. Warstwa nanoizolatora o grubości kilku milimetrów skutecznie niweluje upływ ciepła przy różnicy temperatur dochodzącej do 60 stopni Celsjusza!
Dla przykładu, gdy podczas eksperymentów blok suchego lodu (zestalony dwutlenek węgla o temperaturze ok. -44°C) przykryto kawałkiem nanoizolatora, bez problemów mógł na nim stanąć gołą stopą człowiek! Temperatura odczuwana przez eksperymentatora wynosiła 25°C – człowiek nie odczuwał absolutnie żadnego dyskomfortu.
Superizolator termiczny wyprodukowany w oparciu o nanotechnologię jest materiałem stosowanym obecnie w przemyśle kosmicznym, a także obuwniczym (produkowane są z tego materiału nowoczesne wkładki do butów), ale kwestią czasu jest wykorzystanie jego doskonałych właściwości izolacyjnych w budownictwie. Łatwo wyobrazić sobie pozytywne konsekwencje techniczne i technologiczne takiego rozwiązania. Już obecnie praktyczne zastosowanie znalazły superizolujące nanotechnologiczne farby, utrudniające wymianę ciepła z otoczeniem, co wpływa na obniżenie kosztów eksploatacji budynków.
„Inteligentne” budowle
Nanorurki węglowe, jak i inne nanomateriały o właściwościach półprzewodników (np. przewodzące prąd polimery organiczne) mogą być wykorzystane przy konstrukcji elementów aktywnych różnego rodzaju czujników umożliwiających monitorowanie i optymalizację przepływu ciepła, oświetlenia i jakości powietrza w budynkach.
Charakterystyczną wspólną cechą nanoczujników jest ich niewielki rozmiar – już powierzchnia czynna równa ułamkowi milimetra kwadratowego może działać jako niezależny doskonale działający układ detekcyjny o niewiarygodnej wręcz czułości.
Nanoczujniki mogą być stosowane w budownictwie alternatywnie do dziś produkowanych urządzeń, które najczęściej ustępują tym pierwszym we wrażliwości oraz w rozmiarze.
Stosowane obecnie urządzenia są nie tylko mało czułe (w porównaniu z nanotechnologicznymi prototypami), ale do ich produkcji wykorzystywane są często mało bezpieczne związki chemiczne, w tym substancje radioaktywne, a ich działanie opiera się na jonizacji powietrza, wykorzystaniu promieniowania laserowego, podczerwieni, czy ultradźwięków.
Zagrożenia, jakie mogą wystąpić w budynkach są nie tylko związane z pojawieniem się pożaru, ale również z wyciekiem gazu, a nawet biologicznym lub chemicznym atakiem terrorystycznym. Każdy z tych przypadków może być skutecznie, to jest szybko, wykrywany za pomocą nowoczesnych czujników opracowanych przez nanotechnologów. Łatwo również można śledzić drogę rozprzestrzeniania się gazu.
Gdyby w tokijskim metrze, podczas ataku terrorystycznego z wykorzystaniem sarinu, zainstalowane były nanoczujniki chemiczne (lub były w użyciu jako ochrona osobista), prawdopodobnie znacznie mniej osób ucierpiałoby wskutek zatrucia gazem.
Czujnik chemiczny opracowany przez nanotechnologów pozwala niemal dziesięciokrotnie szybciej wykryć śmiercionośny gaz w powietrzu, niż dotychczas stosowane detektory sarinu.
Już w przeciągu 6 minut otrzymuje się wiarygodną informację o obecności gazu w powietrzu, to jest o ok. 45 minut szybciej w porównaniu do produkowanych obecnie urządzeń.
Sekret nanoczujnika tkwi w jego konstrukcji – część detekcyjna zbudowana jest z cienkich nanorurek węglowych doskonale przewodzących prąd elektryczny, których powierzchnia zmodyfikowana została cząsteczkami chemicznymi łączącymi się z wykrywaną w powietrzu substancją chemiczną, w tym wypadku sarinem. Połączenie się cząsteczki gazu z chemicznym akceptorem związanym z nanorurką węglową powoduje zmianę elektrycznej pojemności nanorurki, co rejestrowane jest za pomocą układu elektronicznego.
Obecność gazów związanych z pojawieniem się pożaru w budynkach, może być wykryta na kilka sposobów, zawsze jednak liczy się czas detekcji. W wypadku pożaru każda sekunda jest istotna. Nowoczesne materiały otrzymywane przez nanotechnologów doskonale sprawdzają się jako aktywne elementy detekcyjne dymu pojawiającego się podczas pożaru.
Opracowany przez naukowców nanodetektor dymu skutecznie wykrywa obecność minimalnych ilości dymu w monitorowanym pomieszczeniu. Co więcej właściwości zastosowanego nanomateriału pozwalają na rozróżnienie etapów pożaru oraz rodzaju materiału, jaki ulega spalaniu. Związane jest to z „chemią pożaru”, czyli charakterem lotnych związków chemicznych, jakie wydzielają się z różnych materiałów pod wpływem temperatury. Detektor dymu o wielkości przysłowiowego łepka od szpilki może skutecznie monitorować pomieszczenia na obecność dymu w powietrzu.
Mikro- i nanosfery polimerowe
Sieć nanowłókien polimerowych - element czynny nanodetektorów
Tego typu urządzenie odpowiednio zmodyfikowane może służyć również jako wykrywacz wycieku gazu z sieci lub ze zbiornika z ciekłym gazem propan-butan, a także chemikaliów.
Prowadzono również badania nad zastosowaniem nanomateriałów do wykrywania obecności grzybów budowlanych. Nanodetektor wykrywający lotne metabolity wskazuje na obecność grzybni rozwijającej się na materiałach budowlanych, co umożliwia uwidocznienie, za pomocą sygnału elektrycznego, wczesnego etapu rozwoju grzyba atakującego zarówno drewno, jak i inne elementy budynków.
Innego rodzaju „inteligentne” nanosensory, typu MEMS (ang. microelectromechanical sensors), przygotowywane są do wmontowania w strukturę betonu, aby przekazywać na bieżąco informacje o stanie konstrukcji i występujących w niej naprężeniach. Te same nanosensory pozwolą śledzić ruch pojazdów na autostradach i powodowane przez nie obciążenia powierzchni jezdni.
Powszechne zastosowanie nanotechnologicznych materiałów w budownictwie to tylko kwestia czasu. Doskonałe właściwości nanomateriałów, często wręcz rewolucyjne, z całą pewnością zostaną docenione przez inżynierów XXI wieku.
[1] przyp.red. – „nano” [od greckiego nános „karzeł”] przedrostek oznaczający jednostki miary miliard razy mniejsze od podstawowych