Наноматериалы в строительстве: что уже используют и за чем будущее

Нанотехнологии не только позволяют получать новые продукты с уникальными свойствами, но и повышают эффективность материалов, проверенных веками. Их применение трансформирует строительную отрасль, позволяет улучшить качество жизни и приносит экономическую выгоду. Plus-one.ru рассказывает о том, какую роль играют нанотехнологии в строительстве.

Зачем нужны наноматериалы в строительстве

Более 20% строительных компаний в развитых странах используют нанотехнологии в производстве строительных материалов. С помощью наночастиц можно создавать покрытия, способные имитировать разные фактуры, отталкивать загрязнения, уничтожать бактерии и предотвращать коррозию, делая здания и сооружения более долговечными.

Применение наноматериалов также важно с точки зрения энергосбережения. Исследователи выяснили, что в США около 41% всей произведенной энергии уходит на отопление, кондиционирование и освещение зданий. Нанотехнологии позволяют аккумулировать солнечную энергию, защищать сооружения от потери тепла, а также повышать эффективность электрооборудования.

Структура и свойства наноматериалов

Основы нанотехнологий — изделия, покрытия и прочие материалы, в структуре которых есть зерна (области с определенным расположением атомов) размером до 100 нанометров (10⁻⁷ м). Благодаря изменению промежутков между атомами материалы получают новые оптические, механические, магнитные и электрические свойства.

Высокая способность к деформации

Сверхпластичные стройматериалы могут растягиваться в десятки раз при низких температурах. Сверхпластичность позволяет уменьшить количество деталей при строительстве и конструировании, упростить процесс сборки, повысить качество изделий.

Магнитные свойства

Новый вид магнитомягких наноматериалов был разработан инженерами японской компании Hitachi Metals. Материал с повышенными магнитными свойствами был запатентован в 1986 году и уже через несколько лет стал использоваться для разработки реакторов и трансформаторов различного назначения.

Повышение огнестойкости

Наноразмерный порошок силикатной глины, включенный в состав пластмасс, повышает их огнестойкость. Он замедляет процесс горения вплоть до самозатухания пламени, препятствует выделению сажи, монооксида углерода и других вредных веществ. В отличие от остальных наполнителей, повышающих огнестойкость, нанодобавки практически не снижают прочность и не ухудшают другие физические характеристики полимеров.

Способность к самоочищению

Цементосодержащие наноматериалы, на которых не задерживаются пыль и грязь, были впервые применены в 1996 году при строительстве церкви Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии») в Риме. Застройщику удалось возвести уникальную конструкцию в виде трех белых лепестков из железобетона и стекла. Используемый материал не только отличается высокой прочностью, но и отталкивает загрязнения. Такой эффект был достигнут путем добавления в цемент наночастиц диоксида титана.

Когда солнечные лучи падают на стены церкви, диоксид титана запускает химическую реакцию, в ходе которой бактерии и грибки разлагаются на воду и соли. Поверхность наноцемента является гидрофильной: вода равномерно растекается по ней и смывает частицы грязи, а не собирается в виде капель.

Классификация строительных наноматериалов

Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве делятся на четыре категории. В первую входят изделия с малым числом структурных элементов (нанопорошки, нановолокна, нанотрубки, нанопленка и др.). Во вторую — малоразмерные изделия от 1 микрометра (10⁻⁶ м) до 1 мм (нанофольга, нанопроволока, наноленты). Третья категория — это массивные стройматериалы. Они делятся на два класса: однофазные (например, стекло) и многофазные (сложные металлические сплавы). Четвертая категория — это композиты, в состав которых входят компоненты наноматериалов из двух первых категорий.

К основным видам современных наноматериалов относят:

Материалы будущего: углеродные нанотрубки и фуллерены

Фуллерены — это молекулы размером 0,7 нанометра (миллиардной доли метра) в виде замкнутого многогранника из атомов углерода. В зависимости от числа атомов они напоминают мяч для футбола или регби. Фуллерены добавляют в сталь, полимеры, чугун и керамику для придания им новых свойств или улучшения характеристик.

Нанотрубки — это сверхпрочные полые стержни и нити диаметром около нанометра. Их поверхность образована атомами углерода, расположенными в вершинах правильных шестиугольников. Из углеродных нанотрубок изготавливают крепкие и легкие композитные материалы для строений и мостов, детали летательных аппаратов и т. д. А если их добавить в полипропилен или алюминий, эти материалы станут вдвое прочнее.

Фуллерены и углеродные нанотрубки производят в промышленных масштабах, на мировой рынок их поставляют Германия, Швейцария, Япония и США. Широкому применению этих наноматериалов в строительстве мешают их высокая себестоимость и ограниченность размеров. Например, максимальная длина углеродных трубок — 1 см.

Примеры применения нанотехнологий в строительстве

Несмотря на то, что современные нанотехнологии и наноматериалы активно внедряются в строительную отрасль, пока их доля не превышает 1%. Но на них возлагаются большие надежды, ведь наноматериалы способны не только улучшить качество объектов, но и сократить потребление ресурсов.

К примеру, в Китае было создано нанопористое покрытие для стен, сохраняющее тепло зимой и охлаждающее помещение летом. Такой пленкой с «эффектом термоса» покрыты стены Шанхайского музея науки и технологий. Специалисты прогнозируют, что в будущем этот материал начнут применять и при строительстве жилых районов, с целью сбережения ресурсов и уменьшения загрязнения природы.

Ученый Сэмюэл Кистлер из штата Калифорния разработал прозрачный наногель (аэрогель) — самое легкое твердое вещество в мире, его прозвали «застывший дым». Брусок аэрогеля на 99,8% состоит из воздуха, поэтому его вес практически не ощутим. Одним граммом аэрогеля можно покрыть футбольное поле.

Аэрогель чаще всего применяется для теплоизоляции зданий, так как воздух, которым он насыщен, плохо проводит тепло. Например, аэрогелем покрыты трубы газопровода в Европе. Сейчас ученые совершенствуют этот материал, ищут способы удешевления его производства.

Задачи и перспективы нанотехнологий в строительстве

Одним из перспективных направлений считается создание защитной нанопленки для дороги. Она представляет собой эмульсию из битума, минералов, воды и измельченного щебня. Застывая, смесь образует довольно прочное покрытие. Главное преимущество нанопленки в том, что движение по дороге может быть восстановлено уже через несколько часов после ремонта. Еще один плюс — возможность нанесения смеси на влажные поверхности. Но у нанопленки есть и недостатки. Например, она не подходит для ремонта поверхностей с большими разрушениями, ее нельзя применять при температуре воздуха ниже 17 °C.

В России развитием наноиндустрии занимается государственная группа компаний «Роснано». Сейчас усилия ее специалистов направлены на создание технологий, позволяющих повысить скорость и качество строительства. При этом все используемые материалы должны быть экологичными и безопасными для здоровья. Компания работает над усовершенствованием нанодобавок, позволяющих создать прочные и легкие металлоконструкции, улучшить свойства бетона и асфальта. В планах Роснано — создание уникальных композитных материалов с углеродными нанотрубками.

Кроме того, ученые работают над созданием фундамента с контролем усадки грунта, ограждений, выполняющих функции солнечных батарей, и даже покрытий, способных определять физическое и психическое состояние людей.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.