Tūkstantmetės nanodalelės valdo ir šiame amžiuje

2020 m. birželio 30 d.

Admin Structum.

admin@estructum.lt

Chemikai ir biologai seniai tyrinėja natūraliai egzistuojančias nanodaleles – molekules ir virusus, toksikologai – anglies daleles variklių išmetamosiose dujose. Padangų eksploatacinėms savybėms pagerinti gamintojai jau 1920 m. naudojo anglies nanodaleles – suodžius, o vitražus kuriantys viduramžių menininkai aukso ir sidabro dulkes dėjo į stiklo mišinį ir suteikdavo ryškių spalvų bažnyčių langams. Nanodaleles žmonės naudoja tūkstančius metų, neišmanydami jų technologijos. Gyvename apsupti nanomedžiagų, negana to – esame iš jų pagaminti: atomai ir molekulės yra nanomastelio objektai. Tai ne naujiena.

Tačiau, sukūrus tokius prietaisus kaip atominės jėgos mikroskopas ir skenuojantis tunelinis mikroskopas, naudojant elektronų pluošto litografiją, galima valdyti nanodaleles ir konstruoti naujas nanomedžiagas. Vienas patraukliausių nanotechnologijų aspektų yra neįtikėtinai mažas mastelis, kuriame vyksta nanoinžinerija ir nanogamyba. Tokių sprendimų vis labiau reikia moderniai statybų pramonei ir architektūrai.

Konstruojant nanomedžiagas, buvo pralaužtas dydžio barjeras, žemiau kurio kietosios dalelės elektronų energija kiekybiškai kvantuojama. Vadinamasis kvantinio dydžio efektas apibūdina kietųjų dalelių elektronų savybes, sumažinus iki nanomastelio: dėl to medžiagos gali įgauti kitokių savybių, palyginti su tuo, ką jos demonstruoja makroskalėje. Pavyzdžiui, nepermatomos medžiagos tampa skaidrios (varis); inertiškos medžiagos tampa katalizatoriais (platina); stabilios medžiagos tampa degios (aliuminis); kietos dalelės kambario temperatūroje virsta skysčiais (auksas); izoliatoriai tampa laidininkais (silicis).

Antras svarbus nanoskalės aspektas yra tas, kad kuo mažesnė nanodalelė, tuo didesnis jos santykinis paviršiaus plotas ir elektroninė jo struktūra kardinaliai pasikeičia. Abu šie reiškiniai labai pagerina katalizinį aktyvumą, tačiau taip pat gali sukelti agresyvų cheminį reaktyvumą. Įspūdingos nanotechnologijų, kurias siūlo inžinieriai ir tyrėjai, perspektyvos kyla iš šių unikalių kvantinių ir paviršiaus reiškinių, kurie yra svarbūs nanoskalėje, todėl galima kurti naujas medžiagas ir jas inovatyviai pritaikyti. Nanotechnologijų pritaikymas statybų pramonėje ir statybinėse konstrukcijose yra vienas ryškiausių mokslinių tyrimų bendruomenės prioritetų. Nanomedžiagos naudojamos nuo konstrukcijų sutvirtinimo iki savaime išsivalančių medžiagų gamybos ir energijos taupymo bei aplinkos taršos mažinimo.

Tobulinamos cemento savybės

Cementas yra viena plačiausiai naudojamų medžiagų statybų pramonėje, bet jo mechaninės savybės labai blogos, ir tai mažina konstrukcijų komponentų patvarumą. Be to, cemento gamyba yra vienas didžiausių CO2 išmetimo šaltinių (5–6 % visų CO2 išmetimų kasmet). Didėjant aukštos kokybės konstrukcinių medžiagų ir komponentų poreikiui, sparčiai kuriamos naujos medžiagų klasės: statybų pramonė yra aštunta sritis pagal nanotechnologijų taikymą.

Medžiagos, kurių pagrindas yra anglis ir metalų oksidai kaip nanopriedai betono gamyboje pagerina jo savybes ir sprendžia tokius iššūkius kaip ilgas cemento mišinių kietėjimo laikas, silpnas konstrukcijų atsparumas įtrūkimams, mažas gniuždomojo stiprio rodiklis, menkas lankstumas ir didelė vandens sugertis. Daugiausia dėmesio skiriama tam, kad naujos medžiagos eksploatacijos laikotarpis būtų ilgesnis, ji pati būtų atsparesnė ir funkcionalesnė. Nanotechnologijos yra plačiai naudojamos hidraulinio cemento ir portlandcemenčio gamyboje, taip pat tobulinant kompozicinį cementą.

Į cementą maišomos nanodalelės – tai įvairios nanoskalės medžiagos, kurios pridedamos prie cemento, siekiant pagerinti įvairias cementinių medžiagų mechanines savybes: nanosilicis, anglies nanovamzdeliai, nanokalcio karbonatas, nanotitanas, nanoaliuminis, nanocinko oksidas, nanoceliuliozė ir kt. Naudojant nanotechnologijas sukurti nauji produktai demonstruoja didesnį cementinių medžiagų atsparumą tempimui, korozijai, įtrūkimams, karščiui, stiprumą ir daugelį kitų mechaninių savybių.

Žalios augančios plytos prilygsta betonui

Mokslininkai sukūrė gyvą betoną, panaudodami melsvadumblių bakterijos fotosintezę, jai augant ir mineralizuojantis smėlio ir hidrogelio terpėje. Sukurta gyvoji medžiaga turi ir laikančiųjų konstrukcijų stiprumo, kaip cemento skiedinys, ir biologinę funkciją. Metodas pristatytas sausį žurnale „Matter“. Mokslininkai sukūrė konstrukciją iš smėlio ir hidrogelio bakterijai augti. Hidrogelis sulaiko drėgmę ir maistines medžiagas, kad bakterijos galėtų daugintis ir mineralizuotis – panašiai kaip jūros kriauklės susidaro vandenyne. Konstrukcijai biomineralizuoti naudota melsvadumblių fotosintezė, todėl medžiaga yra žalia kaip Frankenšteinas.

Smėlio ir hidrogelio plyta ne tik gyva, bet ir dauginasi. Padalijus plytą per pusę, bakterijos gali išauginti dvi  plytas, naudodamos papildomą smėlį, hidrogelį ir maistines medžiagas. Tyrėjai pademonstravo, kad viena „tėvų“ plyta per tris kartus gali sukurti iki aštuonių plytų.

Tai iššūkis įprastiems konstrukcinių statybinių medžiagų gamybos būdams. Betonas yra antra labiausiai naudojama medžiaga žemėje po vandens, tačiau jo gamyba labai tarši. Tyrėjų komandos sukurtas metodas suteikia ekologišką alternatyvą šiuolaikinėms statybinėms medžiagoms.

Vis dėlto šiai žaliai medžiagai reikia išlygų. Plyta turi būti visiškai išdžiovinta, kad pasiektų maksimalų konstrukcinį stiprumą, o džiovinimas pakenkia bakterijos gyvybingumui. Norint išlaikyti struktūrinę funkciją ir užtikrinti mikrobų išlikimą, yra kritiškai optimali santykinė drėgmė ir laikymo sąlygos. Kontroliuojant drėgmę ir temperatūrą, galima pasiekti, kad bakterijos augtų ir medžiaga atliktų struktūrines funkcijas.

Tyrimas padėjo pagrindą naujoms įdomioms medžiagoms sukurti, atsižvelgiant į poveikį aplinkai. Tyrėjai sako, kad jie bando „atgaivinti“ statybines medžiagas. Kitas žingsnis – ištirti daugybę šio metodo pritaikymo galimybių, naudojant skirtingo funkcionalumo bakterijos, ir kuriant naujas medžiagas.

Pajėgios susidoroti ir su triukšmu

Triukšmas – viena didžiausių šiuolaikinio gyvenimo problemų. Speciali nanomedžiaga, gebanti pakeisti garso bangų kryptį, gali būti taikoma statybų srityje, siekiant slopinti pašalinį triukšmą. Mokslininkai iš Ispanijos sukūrė šią technologiją, panaudoję dviejų medžiagų sluoksnius. Šios medžiagos sudėtyje turi garso kristalų grupes – kompozicijas iš miniatiūrinių aliuminio arba kitų medžiagų dalelių, kurios leidžia prasiskverbti vieno ilgio bangoms, bet blokuoja kitokio ilgio bangas.

Kurdami medžiagą, tapusią užkarda tam tikro ilgio mikrobangoms, mokslininkai naudojo metamedžiagas, dirbtiniu būdu pagamintus kompozitus. Siekdami blokuoti tam tikro diapazono šviesos bangas, naudodami nanotechnologijas mokslininkai netikėtai sukūrė medžiagą, kurioje metamedžiagos manipuliuoja garso bangomis: garsams sklindant iš skirtingų pusių, viena garso banga, besiskverbianti per medžiagą iš vienos pusės, juda kitokiu greičiu nei banga, judanti priešais ją. Perėjusios per objektą, jį apjuosusios bangos sugrįžta į pradinę būseną, tad esantieji objekto viduje neišgirsta jokių garsų, sklindančių iš išorės.

Energijos taupymo sprendimai

Pasinaudojant nanotechnologijų pažanga, ieškoma ne tik būdų pagerinti medžiagų funkcionalumą, bet ir analizuojami energijos taupymo bei energinio efektyvumo gerinimo aspektai, nes didelė dalis visos energijos sunaudojama komerciniams ir gyvenamiesiems pastatams šildyti, apšviesti ir kondicionuoti. Nanotechnologijos leido sukurti naujas izoliacines medžiagas, išsiskiriančias geresnėmis izoliacinėmis savybėmis, intelektualiomis struktūromis, galinčiomis optimizuoti energijos naudojimą.

Nanostruktūriniai aerogeliai yra labai porėtos kietosios medžiagos, kurių daugiau nei 80 % sudaro oras. Ši izoliacinė medžiaga naudojama statybų sektoriuje vidaus ir išorės izoliacijai. Aerogelis – mažo tankio, kieta, bet labai lengva medžiaga, iš kurios ištrauktas skystis pakeistas dujomis. Medžiaga yra permatoma, bet tvirta: nurodoma, kad 2 g aerogelio išlaiko 2,5 kg svorio plytą. Aerogelis yra atsparus ugniai ir atlaiko iki 1 400 °C temperatūrą. Šią nanomedžiagą įmanoma gaminti įvairių žaliavų pagrindu. Daugiausia pagaminama silikatinių, taip pat gaminami ir anglies, plastiko bei metalo oksido aerogeliai. Dauguma aeorgelių, naudojamų statybų sektoriuje, yra sintetiniai silikatiniai aerogeliai, amorfiniai arba kristaliniai, pavyzdžiui, besiskverbiančio lankstaus neaustinio paviršiaus.

Statybų pramonei naudojamiems šiltinimo produktams gaminti naudojamas silicis ir jo oksidas. Specialiuose autoklavuose džiovinimo metodu gaminamo aerogelio poringumas yra 80 % ir tai užtikrina mažą šilumos laidumą. Aerogeliai yra pritaikyti įvairiems pastatų šiltinimo normatyvams. Jie naudojami stiklo paketuose tarp stiklų ir stiklo konstrukcijose, taip pat kaip šiltinimo medžiaga tarp sienų arba vidaus šiltinimo darbams. Populiariausios yra iš aerogelių gaminamos izoliacinės plokštės, jos klijuojamos prie sienos ir dengiamos armuoto tinko sluoksniais.

Tačiau aerogelio gamybai eikvojami dideli energijos ištekliai, šios medžiagos gamybos savikaina yra didelė. Be to, gaminant, apdirbant ar utilizuojant šią nanostruktūros medžiagą, kyla dulkės, nuo kurių turi būti apsaugoti kvėpavimo takai, oda, taip pat aplinka.

Vakuuminės izoliacijos plokštė (angl. Vacuum Insulated Panels, VIP) puikiai izoliuoja būdama tik penktadalio įprastos izoliacinės medžiagos storio. Jos šilumos laidumas itin mažas. Vakuuminės izoliacijos plokštes, sukurtas naudojant nanotechnologijas, sudaro porėta šerdis (pavyzdžiui, silicio rūgšties silikagelis) ir hermetiškas apvalkalas (dažniausiai metalizuota plastiko folija). Vakuuminė izoliacija naudojama šaldymo bei kituose specializuotuose pramonės įrenginiuose. Šios plokštės taikymo sritys apima gyvenamųjų pastatų konstrukcijas, išorinių sienų šiltinimą, perdangų izoliaciją. Ji itin tinka izoliacijai taupant erdvę, pavyzdžiui, ten, kur yra žemos lubos, arba izoliuojant palėpes. Taip pat ši izoliacinė medžiaga naudojama ir stiklo paketuose, duryse ir kt.

Nepaisant gerų pačios plokštės izoliacinių savybių, atsiranda šilumos nuostolių per jos jungtis – plokštės dydis turi idealiai tikti, kad izoliuotų be plyšių. Plokštes būtina nepažeidžiant pritvirtinti sandūrose: sandarus plokštės paketas nei montuojant, nei vėliau negali būti pažeistas, todėl vakuuminės izoliacijos plokščių įrengimo darbai gana sudėtingi. Vakuuminė izoliacija turi būti įrengiama taip, kad ją būtų įmanoma išmontuoti pasibaigus naudojimo laikui. Šios plokštės šerdies medžiaga yra tokia brangi, kad ją rekomenduojama naudoti pakartotinai. Vakuuminės izoliacijos gamybai reikia daug energijos ir jos savikaina yra didelė, todėl ji naudojama tik ten, kur nepakanka erdvės įprastam izoliaciniam sluoksniui.

Vida Danilevičiūtė Černiauskienė

https://structum.lt/wp-content/uploads/2020/05/340x430_pentacolor.gif

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *

Būk pirmas!