معجزه مقیاس نانومتر در بناها

فناوری نانو و صنعت ساختمان (2)

قسمت اول

 یک ساختمان بزرگ به استحکام، امنیت و تامین انرژی نیاز دارد که هر یک از این مولفه ها با صنعتی مجزا مرتبط است. به دلایل متعدد ساختمان سازی یکی از اقتصادی ترین فعالیت ها در دنیای امروز است و به بسیاری از فناوری ها ارتباط دارد.

یک ساختمان معمولاً باید 50 تا 100 سال عمر کند و می توان آخرین تحولات در فناوری را در آن اعمال کرد بدون آنکه نیاز به بیرون رفتن ساکنانش باشد. بخش زیادی از فعالیت های جدید فناوری نانو مربوط به ساختمان در حیطه کاهش اتلاف انرژی است، چرا که میزان زیادی از انرژی مصرفی خانه ها صرف گرمایش و سرمایش و استفاده از وسایل برقی می شود، بنابراین به این بخش توجه ویژه ای صورت گرفته است. ساختمان های جدید خروجی دی اکسید کربن و انرژی مصرفی کمتر دارند.

در بسیاری از ساختمان های امروزی مقادیر اتلاف انرژی به حداقل رسیده است .متوسط مصرف ساختمان های کم انرژی امروزی 85 کیلو وات ساختمان به ازای هر متر مربع است. این مقدار برای ساختمان های متداول 220 کیلو وات ساعت به ازای هر متر مربع است.

در ساختمان سازی امروزی کلیه مراحل عمر یک ساختمان از مصالح اولیه و ساخت تا تخریب ساختمان ها، مورد دقت قرار می گیرد. سرفصل های ساختمان سازی در دنیای امروز شامل کاهش مصرف منابع، استفاده از مواد و اجزای قابل بازیافت ساختمانی، جلوگیری از هزینه های حمل و نقل، بازگشت ایمن مواد ساختمانی به چرخه مواد طبیعی، جلوگیری از آسیب به طبیعت و ساختمان هایی است که در آن ها فضا تلف نشود.

هنر فناوری نانو آن است که بتواند هزینه های مربوط به مسکن را کاهش دهد و به خانه دار شدن همه نیز کمک کند.

ساخت بناهای قرص و مطمئن با استفاده از نانو مواد

در نگاه اول به یک بنا اول از خود می پرسیم این بنا چقدر محکم است. مصالح نیز ترکیبی از مواد استحکام دهنده و نگهدارنده هستند. استحکام دهی به یک بنا به طور معمول به مصرف مصالح خیلی زیادی نیاز دارد، مثلاً باید تیرآهن و میلگرد زیادی برای پی ریزی ساختمان استفاده شود. میزان زیاد مصرف ماده و انرژی حین ساخت و سکونت مساله بسیار مهمی است. فناوری نانو راه هایی برای افزایش استحکام با مصرف مصالح کمتر اما محکم تر و کاهش مصرف انرژی ارائه می دهد، یکی از راه ها استفاده از قدرت نانومواد است. نانومواد عمدتاً فعال تر و قوی تر از مواد حجیم هستند و توانایی آن ها به طور چشم گیری افزایش یافته است. لذا حجم کمتری از آنها مورد نیاز است. حضور نانولوله های کربنی و نانوذرات سرامیکی در مصالح می تواند تحمل بار در آنها را افزایش دهد.

بتن مسلح به فولاد محکم در برابر فشارهای خم کننده تحمل بالایی دارد اما تکرار سرما و گرما و چرخه های رطوبت و خشکی سرانجام باعث خرد شدن بتن و بی حفاظ ماندن فولاد می شود که بعدها به زنگ زدن آن منجر خواهد شد. مواد کامپوزیت جدید (نانوکامپوزیت ها)بر اساس پیشرفت های فناوری نانو می توانند این مشکلات را حل کنند.

 اضافه کردن نانولوله ها ی کربنی (نانولوله ها ی کربنی به صورت های تک جداره ویاچند جداره مورد استفاده قرار می گیرند.) و نانوذرات سرامیکی به موادی مانند بتن ها و پلیمرها می تواند قابلیت تحمل بار آنها را افزایش دهد و مقاومت آن ها را نسبت به شرایط محیطی مثل سرما و گرمای خیلی زیاد با شرایط خوردگی نمک یا برخورد با آب، افزایش دهد و توانایی آن ها را برای رو به رو شدن با تنش های دیگر مثل بر خورد با حرکت در زمین لرزه ها، بدون اینکه شکاف بر دارند یا شکسته شوند، زیاد کند،وکارایی وخواص بتن را به طور قابل ملاحظه ای افزایش دهد، استفاده از مصالح جدید نیاز به استفاده از مواد تقویت کننده سنگین مانند فولاد را تغییر داده و امکان ضعیف شدن سازه بر اثر خوردگی را رفع می کند.

جلوگیری از اتلاف انرژی درساختمان

کاری که یک پارچه از عهده آن بر می آید کنترل دما در مجاورت بدن است. پارچه با ذخیره مقادیر اندکی هوا به عنوان بهترین عایق جلوی اتلاف حرارت و گرما را بگیرد. این مثال در مقیاسی بزرگ تر برای یک خانه نیز ممکن است. بشر در طول تاریخ بیشتر از مواد طبیعی برای عایق بندی استفاده کرده است. اگر چه مواد قدیمی در هر موقعیتی که کاربرد انبوه آن ها امکان پذیر بود مانند فضاهای خالی دیوار خوب عمل می کردند، اما برای کاربردهایی مثل شیشه کاری که مقادیر قابل توجه ای گرما می تواند جذب یا دفع شود، مناسب نیستند. مبنای مواد عایق بر دارا بودن تعداد زیادی از حفرات است که تا حد امکان بتوانند هوا را در میان خود نگه دارند. مواد عایق از خاصیت رسانش پایین هوا استفاده کرده و جلوی جریان آزاد هوا را می‌گیرند.

 فناوری نانو خصوصیات عایق بندی بالایی را ممکن می سازد که به پوشش ها یا لفاف های نازک تر امکان می دهد تا از اتلاف یا جذب حرارت بالا جلوگیری کند. کاری که با مواد معمول امکان پذیر نیست. در این عرصه، مواد نانو حفره‌ای ویژگی‌های بسیار جالبی ارائه می‌دهند. از سویی می‌توان به عایق حرارتی در مقابل هر سه نوع انتقال گرا شامل تشعشع، جابجایی و همرفتی اشاره کرد. خصوصیت ویژه این محصول، مایع بودن آن است که امکان استفاده از آن را بر روی سطوح فلزی و غیر فلزی فراهم می‌کند و با صرف هزینه نسبتاً کمی، می‌توان حتی از آن در ساختمان‌های در دست بهره برداری نیز استفاده نمود و هیچ گونه تغییر ظاهری نیز در ترکیب ساختمان ایجاد نمی‌کند.حاصل این کار جلوگیری از اتلاف انرژی از ساختمان است.

فوم های نانوساختار هم با به حداکثر رساندن هوای به دام افتاده مربوط به توده جامد مثل لباس عمل می کنند. این فوم ها از ترکیب پلیمرها و مواد نانوساختار مثل نانوذرات سرامیکی و نانولوله های کربنی ساخته شده اند.

برای آنکه هوا بتواند گرما را انتقال دهد، باید مولکول ها با یکدیگر ارتباط داشته باشند. در فوم های میکرومتری تراکمی حدود 10 سلول در هر میلیمتر وجود دارد. نانوفوم ها حفره های بسیار ریزتری دارند که اندازه آنها کمتر از نیم میکرومتر است. بنابراین باید 2000 سلول در هر میلی متر از این سلول ها وجود داشته باشد. در نانوفوم ها، تعداد مولکول های محبوس در هر سلول آنقدر کم است که مولکول ها حتی اجازه رویت مولکول های جانبی را پیدا نمی کنند و نمی توانند انرژی را دست به دست انتقال دهند، در نتیجه خصوصیت بازدهی در سد کردن گرما بسیار زیاد می شود.

ادامه دارد...