کاربرد فناوری نانو در ارتقاء کیفیت صنعت ساختمان

هر چه رضایت در سطوح بالاتری اتفاق بیفتد، ارزش کیفی زندگی نیز بالاتر خواهد رفت. کیفیت زندگی زمانی به حد قابل قبول خواهد رسید که آدمی حس آسایش و آرامش را با هم تجربه کند.

حس آسایش با حالات فیزیکی و جسمی سروکار داشته و در ارتباط مستقیم با ماده است، از این منظر می ­توان تقسیم­ بندی ­های متفاوتی را برای لغت آسایش تعریف کرد: آسایش متابولیکی- آسایش از منظر تسلط بر محیط اطراف و بهره برداری بهتر و سریعتر از آن.

بشر همیشه در طول تاریخ در پی ارضای خواسته ­ها و تمایلات خود بوده که از میان این خواسته­ ها رسیدن به رفاه و امنیت همواره در اولویت قرار داشته است. امروزه تکنولوژی در هر دو محور نقش کلیدی را به عهده دارد و باعث تامین آسایش و افزایش رفاه در کشورهای برخوردار از آن شده است.(فصلنامه توسعه تکنولوژی، سال پنجم، شماره یازدهم )

از آغاز قرن ۱۹ با پیشرفت جهشی و سریع علم و در پی آن رشد عظیم صنایع دست ساز بشر، که از آن تحت عنوان انقلاب صنعتی یاد می­شود، جهان وارد عرصه جدیدی از زندگی خود شد. فناوری با گام­های بلند به پیش آمد و در محیط زندگی انسان اثرات و تبعات غیر قابل انکاری به جای گذاشت. به دنبال این تحولات در ابتدای هزاره سوم میلادی، تکنولوژی از جنس نانو نوید انقلاب صنعتی را میدهد که از آن به عنوان موج چهارم انقلاب صنعتی یاد می شود (نانوخانه های آینده، نشریه هنرهای زیبا، شماره ۳۰).

نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی مواد و مصالح مورد مصرف در عرصه ساخت و ساز و نیز خصوصیات آنها را تحت تاثیر قرار می دهد. زمانی که ما در مقیاس نانو بیشتر قادر به کنترل خصوصیات ماده باشیم این مواد ویژگی­های مختلفی را درخور تغییر ایجاد شده به خود خواهند گرفت.( buildings earth and walls earth rammed in nanotechnology of role the)

در اعصار گذشته نیز این فناوری در حدود ابتدایی خود مورد استفاده بشری قرار گرفته است، کوزه­گران رومی و حتی مردمان پیش از آنها نیز از چنین موادی استفاده می­کردند. صنعتگران و هنرمندان دوران باستان از ذرات ریز نانو مقیاس در ساخت شیشه­های زمان خود استفاده می­کردند تا زمانی که نور به صورت تصادفی به شیشه تابیده می شود رنگ منحصر به فردی ایجاد کند. شیشه پنجره کلیساهای قرون وسطی مثالی قدیمی از کاربرد فناوری نانو می­باشد.(فناوری نانو در معماری، نشریه هنرهای زیبا)

آنچه یک طرح معماری یا دیگر برنامه ­های عمرانی را از ذهنیت به عینیت تبدیل کرده و بر پیکره طرح جامه عمل می­پوشاند، مصالح ساختمانی است، به طور قطع با در اختیار داشتن مصالح توانمندتر ،کاراتر و مقاومتر می­توان بناهایی طراحی کرد و ساخت که محدودیت کمتری بر آنها حاکم بوده و نیازهای زیستی و روانی آدمی را به نحو شایسته­تری برآورده کنند  از آنجا که مصالح هسته مرکزی ساختمان­سازی را تشکیل می­دهند و بخش عظیمی از نیروی انسانی با آن درگیر است انتظار می­رود منفعت زیادی از فناوری نانو کسب کنند.(فناوری نانو، گلابچی، ص۸۲).

برخی از کاربردهای فناوری نانو در صنعت ساخت و ساز

• مصالح ساختمانی سیمانی :
  بتن با تولید سالانه بالغ بر ۱۰ میلیارد تن در سراسر جهان، فراوان­ترین کالایی است که به وسیله­ی بشر تولید می­شود و مهمترین مصالح ساختمانی است که در ساخت و سازها بکار می­رود. افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سالهای اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانومواد به عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به کارگیری نانوپودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنشهای کاتالیستی میگردد. با استفاده از دی اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به طور معمول در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می­یابد.

  یکی از زمینه­های پژوهشی جالب توجه، مواد تغییر فاز دهنده ( PCM ) هستند، که در ترکیب مصالحی چون گچ یا بتن اسفنجی )اتوکلاوی ( قرار می­گیرند و عمل تنظیم دما در ساختمان را بهبود می بخشند.

• نمای بیرونی و بام ساختمان :
  فناوری نانو روش­های زیادی برای بهبود خواص سطوح نمای ساختمان چه از نظر عملکرد و چه زیبایی عرضه  می­کند. با استفاده از نانو مواد، خواص سطوح در برابر آب و ذرات گرد و خاک  )ذرات کثیف( با تنوع نسبتا زیاد و به صورت دلخواه قابل تنظیم است­، که از آن جمله می­توان به سطوح آب دوست  Hydrophilic )، سطوح آبگریز  (Hydroph یا سطوح مقاوم در برابر روغن( Oleophobic )  اشاره  کرد.
  

  

• عایق حرارتی
  استفاده از عایق حرارتی در نمای خارجی، هم از نظر هزینه­های سرمایه­گذاری برای ساختمان سازی جدید و بازسازی ساختمانها و هم از نظر هزینه های عملیاتی از عوامل ضروری در اقتصاد ساختمان است،تنها در آلمان قریب به ۶ میلیارد متر مربع سطوح نما وجود دارد که تقریباً ۸۰۰ میلیون متر مربع از آن سطوح پنجره است و این در حالی است که بخش بزرگی از آن نیازمند بازسازی است. در اروپای غربی بازار عایق حرارتی در صنعت ساختمان تقریباً  ۶ میلیارد یورو تخمین زده می شود.

• 

• پنجره ­ها و جداره ­ها :
  شیشه به دلیل شفافیت و مقاومت بالا با هر شکل و رنگی به عنوان مصالح ساختمانی برای پنجره و نما شناخته شده است. البته لکه­دار شدن سریع، انعکاس نامطلوب و عملکرد بد آن به عنوان یک عایق حرارتی، از نکات منفی آن است.پوششهای نانویی این خواص منفی را به طور قابل ملاحظه­ای کاهش می­دهند و بدین وسیله زمینه های عملکردی جدیدی را برای نمای شیشه ای به ارمغان می آورد. برای مثال:
  • بهبود حفاظت از حرارت با استفاده از پوش شهای ذخیره کنند هی انرژی  Low- E
  • شیشه ضد آفتاب )حفاظت در برابر آفتاب(با استفاده از شیشه های رنگ متغیر )الکتروکرومیک(
  • بهبود استفاده از نور روز با به کارگیری آرایش یکنواخت میکرو آینه ای
  • خود تمیز شوندگی با استفاده از پوشش فوتوکاتالیستی
  • پوشش های ضد انعکاس با استفاده از لایه ی SiO2 نانو حفره

پوشش های ضد انعکاس:

• از پیشرفت های قابل عرضه در بازار، پوششهای ضد انعکاس برای شیشه­های مسطح است که افزایش انتقال نور بیشتری دارند و برای نمونه در کلکتورهای خورشیدی و یا جداره شیشه های ساختمان کاربرد دارند. شرکت آلمانی مرک ( Merck) یکی از تولیدکنندگان صنعتی این نوع شیشه است که خاصیت ضد انعکاسی در شیشه را با استفاده از نوعی پوشش نانو حفره انجام می دهد.
  

  

• پنجره­ های هوشمند :
  واژه­ ی پنجره هوشمند به پانل شیشه­ ای اطلاق می­شود که بسته به نوع تأثیرات محیطی، خواص خود را خصوصاً در مورد انتقال نور می­تواند تغییر دهد.  بدین منظور از مواد کروموژنیک استفاده می شود که رنگ یا شفافیت خود را میتواند با توجه به محرک های (عوامل)  برگشت­پذیر فیزیکی یا شیمیایی تغییر دهد. این گونه شیشه­ ها می­توانند به عنوان جایگزین برای انواع سیستم های سایه از قبیل سیستمهای ضد تابش و پرده ها در نظر گرفته شود. همچنین با نوآوری دیگری که دانشگاه کاسل آلمان ارائه کرده است، در آینده سیستم­ های ضد تابش صنعتی کنار گذاشته می شود گرما و روشنایی روز در ساختمان بهتر تأمین می شود. این نوآوری مبتنی بر سلولهای میکرو آینه­ ای است که از میلیاردها عنصر منفرد تشکیل شده است که در فضای بین جداره شیشه­ ای و عایق های مرسوم قرار می­گیرد. بدین ترتیب نور مستقیم به درون اتاق هدایت می شود و نور اضافی (آزار دهنده)  به بیرون منعکس می شود.

  

• انرژی و تکنیک های نورپردازی :
  فناوری نانو گزینه های متعددی برای افزایش بهره وری و توسعه روشهای جدید تولید انرژی و تکنیکهای نورپردازی در ساختمان ارائه میکند که برخی از این نمونه ها عبارتند از:
  • دیودهای نوری ۴ به عنوان تکنیک نور پردازی با بازده انرژی بالا برای کاربردهای ویژه در ساختمان )نور پردازی نما، نورهای راهنما، نورهای رنگی(.
  • مواد ارگانیک با توانایی بالا برای استفاده در تکنیک نورپردازی بر روی زیرلایه های انعطاف پذیر.
  • سلولهای خورشیدی رنگی با ویژگی شفافیت و زیبایی )تزیینی(، برای مثال در نماهای شیشه­ای به عنوان جایگزینی برای سلولهای خورشیدی پایه سیلیکون.
  • پوسته­های )غشا( نانو ساختار و کاتالیزورها، برای بازدهی بیشتر پیل­های سوختی در بخش الکتریسیته و گرما و با استفاده از گاز طبیعی.

  با توجه به مصرف کم انرژی، رنگ زیبا و ابعاد بسیار کوچک LED )که مبتنی بر پوشش های نیمه هادی در مقیاس نانو است(، معماران قادرند هنر خود را در نور پردازی ساختمان و طراحی نما در معرض عموم قرار دهند. مزیت LED در آن است که می تواند طیف نوری گوناگونی را تولید کند . در مقابل، منابع دیگر نور برای ایجاد طیف­های مختلف نور از پوشش رنگی یا فیلتر استفاده می­کنند که در برخی موارد تا ۸۰ درصد نور تولید شده جذب می­گردد. در دراز مدت تکنیک های نورپردازی مبتنی بر دیودهای نوری ارگانیک ( OLED ) عرضه می شوند. در آینده کاربرد کاغذهای دیواری نور دهند ه ممکن می شود و ساکنین در هر جا با استفاده از فناوری نانو می توانند طرح و رنگ دیوارهای خانه خود را با استفاده از این تکنیک ایجاد نمایند. سلو لهای خورشیدی رنگی، مثالی برای طبقه جدید سلو ل های خورشیدی هستند.

  

• حفاظت در برابر آتش :
  فناوری نانو روش های متنوعی برای توسعه مواد ضد آتش (ضد حریق) و بهبود خواص آن و به عنوان جایگزین مواد آلاینده) که در این زمینه استفاده می شده است(، عرضه می کند. نقطه عطف پژوهش ها، ذرات سیلیکات نانو ساختار هستند )نانو رس ) که به عنوان پرکننده پلیمرها و برای بالا بردن خواص ضد آتش و مقاومت در برابر حرارت استفاده می شود. در ساختمان، که به عنوان پرکننده پلیمرها و برای بالا بردن خواص ضد آتش و مقاومت در برابر حرارت استفاده می شود. در ساختمان، پلیمرها در پوشش کابلها، نقش مهمی را ایفا می­کنند )برای مثال در فیوز، پریز برق و محفظه لامپها و …(. خاصیت ضد حریق کامپوزیت­ های نانو رس نشانگر این مسأله است که هم اتلاف حرارت و توسعه دود به طور قابل توجهی کاهش می یابد، زمان ایجاد جرقه نیز به تعویق می­ افتد.

  از دیگر جنبه های کاربردی پوشش ضد حریق برای چوب، فلز، پلاستیک یا بتن است که توسعه آتش در مصالح به وسیله این نوع پوشش به تأخیر می افتد و مانع گسترش کنترل نشده آتش می شود. از جمله مزیت های دیگرسیستم ضد حریق، انطباق خوب آن با محیط ( بدون-هالوژن ) و مقاومت بالا در برابر نور و سایش است.

  در مورد جداره های شیشه ای نیز، فناوری نانو به بهبود عمل حفاظت در مقابل آتش )مقابله با آتش( کمک می کند. در زمینه مقابله با آتش، همیشه برای شیشه یک نکته منفی وجود دارد و آن شکنندگی، شعله ور شدن و نشر دود ناشی از ذوب شیشه در هنگام وقوع حریق است. با استفاده از نانو ذرات، می توان شیشه های ضد حریق به وجود آورد که در اثر حرارت، یک پوشش اسفنج مانند )فوم مانند( را تشکیل می دهند که محافظت بهتری را در برابر آتش انجام می دهد.

• دکوراسیون داخلی :
  در دکوراسیون داخلی، فناوری نانو برای هر نوع کارکردی، سطوح مناسب آن را ایجاد می کند.  با استفاده از نانو ذرات اصلاح شده، پوشش های متنوعی را می توان تولید کرد، از جمله:
  • پوشش های ضد گرد و غبار

  این پوششها بر روی سطوحی مثل سرامیک، فولاد ضد زنگ، شیشه و چوب خاصیت محافظت در برابر کثیفی (گردوخاک)، جرم، موجودات ریز و فرسایش مکانیکی ایجاد می­کند.

  • پوششهای آبگریز (مبتنی بر پوش شهای حاوی ترکیبات سیلیکون یا فلوئور است)

  این پوششها خواص ضد آب نشان می دهند، به طوری که آب روی این پوششها به صورت قطره های کروی در می­آیند و ذرات کثیف چسبنده را از روی سطوحی مثل کاشی، سرامیک و محوطه حمام می شویند.

  • پوشش های ضد اثر انگشت

  این پوششها بر روی سطوحی مثل فولاد ضد زنگ، به وسیله ی محلو لهای پوششی بر پایه سل- ژل و با استفاده از عامل های نانو ذره SiO2 ساخته می شوند. برای اینکه خواصی چون شفافیت (بی رنگی)، مقاومت در برابر سایش و خاصیت ضد اثر انگشتی برای محصول تولیدی بدست آید، پایداری شیمیایی اجزای سوسپانسیون، نقش مهمی دارد. نانو ذرات در اینجا پایداری سوسپانسیون را افزایش داده و یک پوشش یکنواخت ایجاد می کنند.   (تشکیل پوشش یکنواخت را تضمین می کنند)

  

• پوشش های ضد خراش :

این پوشش ها برای سطوح چوبی مبلمان یا کفپوش، با استفاده از نانو ذرات مذکور، پوشش های سختی بدست می آید. که بر حسب نوع عملکرد پوشش مثلاً در پوشش های چندمنظوره، ویژگی های مختلفی چون شفافیت، مقاومت در برابر خراش و پایداری در برابر UV با هم جمع می شود.

• پوششهای آنتی باکتریال :
  با افزودن ذرات نانو نقره به رنگ دیوار پوشش دارای خاصیت ضد باکتری و جرم می­گردد.  با پراکنش متناسب ذرات نقره، یونهای نقره آزاد می­شوند )این یونها باید در محدوده غلظت بی خطر برای انسان باشد (و یک اثر قوی ضد باکتریایی را موجب می­شوند، بدین صورت که آنزیم­های مربوط به متابولیسم انرژی باکتری را بلوکه می­کنند و در زنجیره­ی تنفسی و فرآیندهای ژنتیکی میکروارگانیسم­ها دخالت می­کنند. مکانهایی که دارای شرایط بهداشتی ویژه هستند )مثل دیواره­های داخلی و مبلمان در ساختمانهای عمومی و بیمارستانها نیز از جمله مکان هایی هستند که می توان از این فناوری استفاده لازم را ببرند.
• پوشش های چند منظوره :
  از نمونه های دیگر پوشش های برپایه فناوری نانو، فیلم های )ور قهای( سرامیکی منعطف هستند، که به عنوان کاشی های دیواری در آشپزخانه و مکا ن های بهداشتی به کار می روند که در ساخت آن از یک بستر سرامیکی منعطف به همراه چسب )اتصالات عرضی( استفاده میشود. در مرحله بعد این کامپوزیتهای سرامیکی رنگ آمیزی می شود و با روپو شهای  بی رنگ سرامیکی، پوشیده میشود. علاوه بر این، عملکردهای دیگری چون خواص ضد UV و خواص آب گریزی هم در مراحل بعدی به آن اضافه شود. در نتیجه به طور گسترده و به راحتی پوشش های دیواری چندمنظوره با ویژگی های مقاومت در برابر آلودگی، آتش و مواد شیمیایی ساخته می شود.

  

فناوری نانو در ایران

در ایران نیز همگام با پیشرفت فناوری نانو، صنعت ساختمان به عنوان یکی از صنایع بنیادین در کشور از این فناوری بهره برده است و از دستاوردها فناوری نانو در بخش ساخت و ساز که در کشور مورد استفاده قرار گرفته است می­توان به تولید بتن فومی، پوشش­های نانوفام، نانورس و شیشه­ های کاهنده مصرف انرژی اشاره داشت.

بتن فومی از موادی همچون ماسه، سیمان و مایع فوم( پروتئین سنتزی نانو بیوفناوری) تشکیل شده است.  این بتن به دلیل سبکی وزن آن به مواد اولیه ( ماسه و سیمان) کمتری نیاز دارد و ۱۰ برابر بتن معمولی عایق صوتی، برودتی و حرارتی است. این بتن در پارتیشن­بندی، کف­سازی و شیب­بندی ساختمان استفاده می­شود. همچنین می­توان از آن در مناطق زلزله خیز و مرطوب نیز استفاده کرد.(ماهنامه فناوری نانو ، سال دهم، شماره هفت)

پوشش­های نانوفام نیز از دیگر محصولات داخلی فناوری نانو در صنعت ساختمان است و این محصول به منظور آب­بند­سازی و محافظت از سطوح ساختمانی و صنعتی، ایجاد مقاوت در برابر مواد شیمیایی، سایش و خوردگی، طراحی شده است.

جلوگیری از رشد کپک، میکروب و باکتری­ های مضر بر روی سطوح ساختمانی، محافظت از نمای بیرونی ساختمان­ها در برابر آلودگی­ های محیطی و جلوگیری از بخارگرفتگی و مقاوم­ سازی سطوح شیشه در برابر شوک های حرارتی از جمله ویژگی­های نانوفام بیان شده است.

شیشه­ های کاهش دهنده مصرف انرژی نیز در ایران تولید می­ شوند، اتلاف انرژی را بیش از هشتاد درصد کاهش می­ دهند. اما به دلیل  عدم شناخت و استفاده مردم، این محصول تولیدی عمدتا به خارج از کشور صادر می شود.

نتیجه­ گیری

فن ­آوری نانو، از جمله تکنولوژی ­های نوینی است که کاربردهای مهم و ارزشمندی در صنایع مختلف از جمله صنعت ساختمان دارد و دانش تولید و کاربرد فرآورده ­های نانویی به طور روزافزون در حال تنوع و پیشرفت است و از جمله کاربردهای تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان همان طور که ذکر شد، میتوان به افزودنی ­های بتن، شیشه ها، آسفالت،  تصفیه آب و پوشش سطوح اشاره کرد و این فن ­آوری خواص مصالح را بهبود می بخشد و ویژگی های مطلوبی را در آنها ایجاد میکند در بسیاری از موارد استفاده از این فن ­آوری توجیه اقتصادی دارد. برخی از انواع فن آوری های نانویی در کشور ما وجود دارد و می تواند به راحتی خریداری شود و با رعایت استانداردهای بین المللی مورد استفاده قرار گیرد.