|
Building Small: Nanotechnology makes inroads in the construction industry
Posted by admin on June 17th, 2011
By Bethany Halford
TEMPLE OF NANOSCIENCE Rome's Dio Padre Misericordioso Church, also known as the Jubilee Church, retains its bright white color because of nanostructured titanium dioxide. Liao Yusheng
TEMPLE OF NANOSCIENCE Rome's Dio Padre Misericordioso Church, also known as the Jubilee Church, retains its bright white color because of nanostructured titanium dioxide.
With its soaring concrete sails reaching high into the sky, the Dio Padre Misericordioso Church, just east of central Rome, beckons religious and architectural devotees alike. The structure is also something of a temple to nanoscience—for it retains its bright white hue thanks to the presence of nanostructured titanium dioxide particles embedded within the cement binder that was used to make its concrete walls.
Completed in 2003, the church, also known as the Jubilee Church, is a flagship when it comes to the use of nanotechnology in construction. But there are more humble examples, too. Whether it's in steel, concrete, or windows, nanotechnology is finding a growing number of applications in the construction industry, where it promises to make structures that last for centuries and look as clean as the day they were built.
One only has to look at the Jubilee Church to see why it is the foremost example of what nanotechnology has to offer the construction industry. It was designed by Richard Meier, an American architect with a reputation for creating bright white structures that he wants to stay that way. So far, the concrete shows no signs of darkening. Italcementi, the company that supplied the material for the church, checks it each year for signs that its white color is still as bright as the day it was cast.
Nanostructured TiO2 particles theoretically will keep the concrete white forever, even in smoggy Rome, says Luigi Cassar, one of the material's inventors. Titanium dioxide, known for its snowy white hue, is used as a pigment in paint and food coloring. But it has self-cleaning properties as well. When ultraviolet light strikes the anatase form of TiO2, it excites the material so that it becomes a catalyst for oxidizing organic grime.
And the concrete doesn't just resist smog, it eats smog. The same photocatalytic chemistry that keeps the church clean also cleans the air around it, gobbling up NOx, SOx, carbon monoxide, aromatics, ammonia, and aldehydes. Italcementi estimates that if it covered 15% of the visible surfaces of a large urban area, such as Milan, with its current product containing the smog-eating nanostructured substance, TX Active, it could cut the city's air pollution in half.
"The nanotechnology ideas finding their way into construction in a practical way are probably now starting to gain momentum."
"The work started from a marketing request to make a white concrete stabilized with respect to pollutants," says Cassar, a research and development consultant who served as Italcementi's corporate R&D director until 2006. Cassar and his research group began working on the project in 1994 and filed two patents in 1996 and 1997 for the photoactive cement, which is used as a binder to make the white concrete. It was first used in a construction project in 2000, for the Cité de la Musique building in Chambéry, France. Subsequently, the material was chosen for the Jubilee Church, as well as other projects around the world.
"I am an old chemist. I worked in several industries before coming to Italcementi," Cassar says. "I never worked on cement before, but the mechanism of TiO2's photodecomposition was known in other materials, such as polymers." Even so, he adds, his group at Italcementi was surprised to see that TiO2 particles nanostructured to have a high surface area were so active when used in concrete. "We observed a synergistic effect between the photocatalyst and the concrete because concrete is a porous material which absorbs pollutants, helping them to de?compose."
Although the photocatalytic cleaning effect is observed in most forms of anatase TiO2, Cassar says it's important that the material be nanostructured to have a high surface area in the cement application. The material used in Italcementi's cement has more than 200 m2 of surface area per gram.
"Improvement of the material is ongoing," Cassar tells C&EN. The TX Active material currently sold by Italcementi is more efficient than the cement that went into the Jubilee Church, he adds.
They've also improved the price. When the Jubilee Church was built, Cassar estimates, the special cement cost 10 times as much as standard cement. Now, depending upon the application, its cost can be as low as three times that of conventional material.
CRYSTALLIZING CONCRETE This colorized scanning electron micrograph shows concrete (brown) crystallizing around X-?Seed crystals (blue), 500 nm to 30 ?m across. BASF View Enlarged Image
CRYSTALLIZING CONCRETE This colorized scanning electron micrograph shows concrete (brown) crystallizing around X-?Seed crystals (blue), 500 nm to 30 ?m across.
Even with such high-profile buildings, nanotechnology's progress has been somewhat slow in the construction industry, where tight bottom lines don't always leave room for technological advances. "Construction is rather different from other industrial sectors," says Peter J. M. Bartos, former head of the Scottish Centre for Nanotechnology in Construction at the University of the West of Scotland. "Unlike other industries, for example, microelectronics, aerospace, or even the automotive industry, the level of investment in construction research is very low."
Also, Bartos says, "the construction industry is dominated by small and medium-sized companies. There are no big players in construction like there are in the chemical industry, where there are massive R&D efforts. Most of construction is, in fact, done by small companies that just employ a few people."
Surendra P. Shah, a civil engineering professor at Northwestern University and the former director of the school's Center for Advanced Cement-Based Materials, has spent more than a decade studying how nanotechnology can improve cement and concrete. He agrees with Bartos that there's been growing interest in bringing nanotechnology into the construction industry, but, he says, "as far as commercial applications are concerned, it's still in the beginning stage." Shah thinks there are promising applications, and he notes that the growing presence of nanotechnology in construction materials prompted the National Academies' Transportation Research Board to hold a symposium on the use of nanotechnology in concrete and cement last year.
One area in which Shah's group has been conducting research is using carbon nanotubes and nanofibers to reinforce cement and concrete. "When you see cement and concrete, you see cracks because it's a brittle material," he explains. "These cracks start at the nanoscale. We have shown that once you know how to disperse them, very small amounts of carbon nanotubes, such as 0.05%, can substantially increase the cracking resistance."
Well-dispersed carbon nanotubes or carbon nanofibers alter cement's nanostructure, providing reinforcement, Shah notes. "That's exciting because that's what nanotechnology is about, altering materials at the nanoscale," he says.
Nanotechnology can also make concrete a more sustainable material, Shah says. For example, fly ash, a by-product of coal production that would otherwise be dumped in a landfill, can be used in place of cement to make concrete. The problem, Shah explains, is that the concrete-making hydration chemistry takes longer with fly ash.
Seeding fly-ash concrete with small amounts of nanoparticulate silica can accelerate hydration, Shah says, so you could use fly-ash concrete and have the same speed of construction that you would when using conventional concrete. Furthermore, he adds, the nanoparticles change the nanostructure of hydrated cement, thereby improving durability.
Chemical giant BASF has already taken this seeding idea and created a commercial product for speeding up the hardening process for conventional concrete. Known as X-Seed, the product contains nanocrystals of calcium silicate hydrate. The extremely small size of the X-Seed crystals creates many sites for nucleation, accelerating the speed at which the concrete hardens.
Practically, that means that it's possible to make precast concrete structures, such as bridge girders, sewer pipes, and staircases, faster than it would take without X-Seed, says Bruce Christensen, BASF's vice president of global technology and innovation management for construction chemicals. The company estimates that X-Seed can cut hardening time for precast concrete structures from 12 hours to six hours at ambient temperature.
"It's not something that's a completely new idea," Christensen says of X-Seed. According to the patent literature and publications, using nanoparticles to accelerate hydration in concrete was proposed decades ago. "Our research group has found some creative ways to make the particles in such a way to realize the seeding effect," he says. Specifically, the researchers developed some polymer technology to keep the nanocrystals from fusing together when dispersed in solution.
NANOSTRUCTURED STEEL MMFX 2 steel rebar, which resists corrosion because of its nanostructure, strenghtens the foundation of a bridge in Tarpon Springs, Fla. MMFX
NANOSTRUCTURED STEEL MMFX 2 steel rebar, which resists corrosion because of its nanostructure, strenghtens the foundation of a bridge in Tarpon Springs, Fla.
As far as cement-related products go, BASF also makes a whole line of additives bearing the nano moniker, including Nanocrete, Nanoflott, Nanolight, and Nanosilent. These products don't contain nanoparticles, Christensen explains; rather, they form nanostructures as they're used. "Nanostructures have been around for centuries in that regard, but we are understanding better and better how these nanostructures form and in which way this process can be influenced to enhance the properties of the material," he says.
BASF's use of nanotechnology in construction materials isn't limited to cementitious products. They also make Col.9, a dispersion of organic plastic polymer particles and nanoscale particles of silica, which is used as a binder to produce façade paints. According to the company, this combination of elastic organic material and hard mineral resists cracking in cold temperatures but doesn't become tacky when it's hot outside.
The nanoparticles in Col.9 are also hydrophilic, spreading rainwater across the surface of the coated area. During heavy rain, this property helps the coated surface wash away dirt, and after the rain, it disperses any remaining water into a thin film that dries quickly, thereby preventing mold.
Christensen expects nanotechnology's presence in construction chemicals to grow. "The nanotechnology ideas finding their way into construction in a practical way are probably now starting to gain momentum" because the first commercial products have finally hit the shelves, he says.
Another nanostructured building product that's on the market is a type of steel, known as MMFX 2, developed by MMFX Technologies. Its inventor, University of California, Berkeley, materials science professor Gareth Thomas, first used electron microscopy to peer into steel's nanostructure in the 1980s. Twenty years later, Thomas led MMFX in developing a series of key patents for making nanostructured steel.
"Making steel was always a black art or a black science," says MMFX founder and former chief executive officer David C. Pollack. "They used to heat, beat, and hope. They kind of understood what was going on, but with electron microscopy they could actually see what was happening at the nanoscale," he says. "This gave us a whole new understanding.
"Conventional steel, when it cools, goes through a transformation where it loses its affinity for binding carbon. What happens then is carbon precipitates and that precipitation forms carbides at the grain boundaries," Pollack explains. "These carbides are very hard, but they're also very brittle and they're dissimilar to the rest of the steel microstructure. They're the Achilles' heel of the steel."
In a moist environment, Pollack continues, the carbides form a microgalvanic cell with the steel's ferrites, which begins to corrode the steel from within. But MMFX?2 steel is different. It's made of alternating nanoscale layers of austenite and martensite—two crystal forms of steel—and is virtually carbide-free at the grain boundaries.
Without the carbides at the grain boundaries, the material is ductile, rather than brittle, and resists the corrosion seen in conventional steel. The nanolayered structure also makes the material strong, Pollack says, because it's composed of both hard and soft layers of material that can bend without breaking.
MMFX 2 steel is made with conventional steel-making equipment. Pollack says that when talking about nanotechnology, people often marvel at materials made by the gram. "In the case of MMFX, we can make nanotechnology at 100 tons an hour," he says.
The material has been used in buildings, highways, and bridges and has an expected service life of 200 years. And because it's twice as strong as conventional steel, Pollack notes, structures require less steel to do the same job. So although the steel itself is more expensive than conventional material, labor costs are reduced.
CLEAR COATING Windows at the Museum of the Earth in Ithaca, N.Y., stay clean, thanks to a nanoscale coating of TiO2. Pilkington
CLEAR COATING Windows at the Museum of the Earth in Ithaca, N.Y., stay clean, thanks to a nanoscale coating of TiO2.
A sector of the construction industry where nanotechnology has been making a clear difference in products is in window glass. By adding a nanoscale coating of TiO2 to glass, companies make low-maintenance windows that can clean themselves.
It's the same chemistry that keeps the Jubilee Church in Rome clean: UV light activates TiO2 so that it oxidizes organic grime, both directly and by converting water vapor into hydroxyl radicals that can convert organic compounds into CO2.
The practice of using titanium dioxide to make surfaces self-cleaning is fairly old, says Chris Barry, director of technical services at the glass-making company Pilkington. But TiO2 is typically white, so it was mainly used in paints. "What is new is the ability to make the coating in a thin enough layer to put it on window glass so that you can see through it and it can be applied uniformly enough so that it doesn't make streaks or variations in the appearance of the glass," Barry explains. "We make four invisible coatings. One of the biggest problems we have is to make sure that the glazier knows how to install the glass properly so it's not put in backward."
In addition to TiO2's photocatalytic properties, the material also becomes hydrophilic when exposed to UV light. "It's an invisible squeegee effect," Barry says. "Normally, when rain falls onto glass, it tends to bead up and run down in rivulets, but if the glass is hydrophilic and attracts water, then the water will run down as a sheet and it has a flushing action that's quite effective in removing specks of inorganic dirt, such as silica sand.
"The chemistry of it is very elegant and beautiful," Barry says of the self-cleaning glass, but he cautions that windows with such coatings won't always be squeaky clean. "The coating works at the molecular level, and dirt tends to be at the macro level: bird droppings, a lump of spiderweb, resin from a tree. You're asking a two-dimensional coating to break down a three-dimensional mountain of material. It doesn't happen instantly. And if you've got inorganic dust on a window, it won't be clean until you get some rain."
To create a coating that's just 50-nm thick for its self-cleaning Activ line of windows, Pilkington uses chemical vapor deposition to apply the material to freshly formed glass while it's still under a nitrogen atmosphere. "We pass the glass under beams that expose the top surface to TiO2 vapors," Barry explains. The coating "fuses perfectly with the ultraclean surface of the glass."
The company uses the same technique to apply nanoscale coatings of other chemicals. Silica and silicon coatings, known as solar-control coatings, help regulate the amount of heat from sunlight that comes through the window, thereby cutting down on air-conditioning use. Low-emissivity coatings, made from fluorine-doped tin oxide, prevent infrared heat from escaping a building, reducing overall heating costs.
Although nanotechnology has matured in certain sectors of the construction industry, most people working in the field expect many more advances in the future. George Elvin, an architecture professor at Ball State University and director of Green Technology Forum, an information hub that focuses on emerging green technologies in architecture, has been studying the intersection of the two disciplines for a decade. He teaches a course in which students examine nanotechnology advances that have been proven in the lab and envision how they could be used in architectural works should they ever be commercialized.
"For example, if you look at the strength-to-weight ratio of carbon nanotubes, they are many times stronger than steel and yet lighter. They can be transparent; they can conduct electricity," Elvin says. "If you could have large-scale sheets of carbon-nanotube-reinforced transparent material, then you could have a building structure that basically looked like a glass window. You really wouldn't have the traditional components of columns and beams or concrete and steel that we have now."
The area of sensors also sparks a lot of interest in the construction industry, says Pedro J. J. Alvarez, chair of the civil and environmental engineering department at Rice University, who wrote a review about nanotechnology in construction last year (ACS Nano, DOI: 10.1021/nn100866w). Such nanoscale sensors would be embedded within a structure's foundation and could "give you early warnings if you need to do something about a bridge or a building," Alvarez says.
Both Elvin and Alvarez note, however, that despite the enormous potential of nanotechnology in construction, no one knows for certain whether there will be adverse consequences. "Unfortunately, we haven't always had the best track record in how we have used technology, and we have found out after the fact that certain applications, in some cases, were quite harmful, such as asbestos," Elvin says. He notes a recent study that showed how TiO2 nanoparticles may disrupt the nitrogen cycle in aquatic ecosystems (Environ. Sci. Technol., DOI: 10.1021/es101658p).
But Alvarez cautions that current studies on nanomaterials' adverse effects might not paint a realistic picture of exposure to humans. "We are using test animals or cells or bacteria that are exposed to exaggeratedly high concentrations to elicit a response," he says. "The concentrations that are harmful, at least for acute exposure, tend to be unrealistically high, much higher than a person would likely be exposed to."
Furthermore, Alvarez says, studies often look at nanomaterials in their virgin form, when in reality what people will be exposed to are nanoparticles that have been embedded in some sort of matrix or that have been weathered in the environment. Such particles are expected to undergo transformations that reduce the materials' bioavailability and toxicity. "As the result of that, we are really looking at the worst possible scenarios that are not really realistic," he notes.
For now, Alvarez says, the key is to minimize exposure. For the construction industry that means making sure nanomaterials won't leach out of structures easily. More important, Alvarez says, is to make sure that the workers who handle these materials as they're created wear proper respiratory protective equipment. "Exposure control is extremely important, and that is clearly within our means because we protect ourselves from things that are much nastier," he says.
Ultimately, Alvarez thinks that nanotechnology will revolutionize the construction industry. "But we're at the infancy right now," he says. "Before we move too fast, let's make sure that the risk assessment and the eco-responsible use, design, and disposal don't fall too far behind. We want to use nanotechnology as a tool for sustainability, and we want to make sure that we're not creating a future environmental or public health liability."
|
ساختمان کوچک: فناوری نانو باعث می شود تاخت و تاز در صنعت ساخت و ساز
نوشته شده توسط admin در ژوئن 17th، 2011
Bethany Halford در
معبد نانو رم DIO پدر روحانی Misericordioso کلیسا، همچنین به عنوان کلیسای جوبیلی شناخته می شود، حفظ روشن آن رنگ سفید به دلیل از دی اکسید تیتانیوم نانوساختار است. لیائو Yusheng
معبد نانو رم DIO پدر روحانی Misericordioso کلیسا، همچنین به عنوان کلیسای جوبیلی شناخته می شود، حفظ روشن آن رنگ سفید به دلیل از دی اکسید تیتانیوم نانوساختار است.
با افزایش بادبان بتن آن رسیدن به آسمان،، کلیسای پدر روحانی Misericordioso DIO، در شرق مرکزی رم، خواند جانبازان دینی و معماری به طور یکسان. ساختار نیز چیزی را از معبد به نانو برای حفظ رنگ روشن به لطف خود را سفید به حضور ذرات دی اکسید تیتانیوم نانوساختار جاسازی شده در سیمان چسباننده که برای ساخت دیوارهای بتونی آن مورد استفاده قرار گرفت.
تکمیل شده در سال 2003، کلیسا، همچنین به عنوان کلیسای جوبیلی شناخته می شود، یک شاخص است که آن را به استفاده از فناوری نانو در ساخت و ساز می آید. اما فروتن نمونه وجود دارد، بیش از حد. این که آیا آن را در فولاد، بتن، یا ویندوز، فناوری نانو است که برای یافتن تعداد فزاینده ای از برنامه های کاربردی در صنعت ساخت و ساز، که در آن وعده را به سازه است که برای قرن ها و به عنوان پاک به عنوان روز آنها ساخته شده است.
تنها در کلیسای جوبیلی نگاهی به همین دلیل است که به عنوان مثال قبل از هر چیز آنچه که فناوری نانو به صنعت ساخت و ساز به ارائه. آن توسط ریچارد مایر، معمار آمریکایی با اعتبار برای ایجاد سازه های روشن و سفید است که او می خواهد برای بماند که راه طراحی شده است. تا کنون، بتن نشان می دهد هیچ نشانه ای از تیره. Italcementi، این شرکت که به عرضه مواد برای کلیسا، آن را چک هر سال نشانه هایی که رنگ سفید آن است که هنوز روشن است به عنوان آن روز بازیگران.
نانوساختار TiO2 به ذرات لحاظ نظری سفید بتن برای همیشه لطفا برای نگه داشتن، حتی در رم پوشیده از مه غلیظ، می گوید:، لوئیجی Cassar، یکی از مخترعان ماده است. دی اکسید تیتانیوم، رنگ سفید برفی برای آن شناخته می شود، به عنوان رنگدانه در رنگ آمیزی رنگ و مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. اما آن را دارای خواص خود تمیز کردن نیز هست. هنگامی که نور ماوراء بنفش فرم آناتاز TiO2 به اعتصاب، آن مواد را تحریک می کند به طوری که آن را تبدیل به یک کاتالیزور اکسید کننده چرک آلی است.
و بتن نه تنها مقاومت در برابر مه دود، مه دود می خورد. شیمی فوتوکاتالیستی نگه می دارد که تمیز کلیسا نیز پاک سازی هوا در اطراف آن، gobbling های NOx و Sox، مونوکسید کربن، آروماتیک، آمونیاک، و آلدئیدها. Italcementi تخمین می زند که اگر آن را تحت پوشش 15٪ از سطوح قابل مشاهده است از یک منطقه بزرگ، شهری مانند میلان، با محصول فعلی خود را که شامل دود و دم غذا خوردن ماده نانوساختار، TX فعال، می تواند آلودگی هوا شهر را به نصف کاهش دهد.
"ایده فناوری نانو پیدا کردن راه خود را به ساخت و ساز در یک راه عملی احتمالا در حال حاضر با شروع حرکت برای به دست آوردن."
"این کار آغاز شده است از درخواست بازاریابی برای ایجاد یک بتن سفید تثبیت شده با توجه به آلاینده، می گوید:" Cassar، تحقیق و توسعه مشاور که به عنوان مدیر R & D شرکت Italcementi تا سال 2006 خدمت کرده است. Cassar و گروه تحقیقاتی او شروع به کار بر روی این پروژه در سال 1994 و دو اختراع ثبت شده در سال 1996 و 1997 برای سیمان photoactive، که به عنوان چسباننده بتن سفید مورد استفاده قرار می گیرد واصل. این برای اولین بار در پروژه های ساخت و ساز در سال 2000 مورد استفاده قرار گرفت، برای منبع د لا Musique ساختمان در Chambéry، فرانسه. پس از آن، مواد کلیسای جوبیلی انتخاب شد، و همچنین پروژه های دیگر در سراسر جهان است.
" من شیمیدان قدیمی است . من در صنایع مختلف قبل از آمدن به Italcementi کار می کرد، "Cassar می گوید. "من در سیمان کار می کرد هرگز قبل از، اما مکانیسم photodecomposition TiO2 به را در مواد، دیگر از قبیل پلیمرها شناخته شده بود." با این حال، او می افزاید، گروه خود را در Italcementi که TiO2 به ذرات نانوساختار به منطقه سطح بالا بودند شگفت زده شد فعال زمانی که در بتن استفاده می شود. "ما مشاهده اثر هم افزایی بین فرایند فتو کاتالیستی و بتن به دلیل بتن یک ماده متخلخل است که آلاینده ها را جذب می کند، کمک آنها را به د؟ سرودن است."
اگر چه اثر تمیز کردن photocatalytic است در اکثر اشکال آناتاز TiO2 به مشاهده Cassar می گوید این مهم است که مواد نانوساختار به سطح بالا در کاربرد سیمان. مواد استفاده شده در سیمان Italcementi دارای بیش از 200 M2 سطح در هر گرم می باشد.
"بهبود از مواد در حال انجام است می گوید،" Cassar C & EN. TX ماده فعال در حال حاضر توسط Italcementi فروخته است کارآمد تر از سیمان است که رفت و به درون کلیسا جشن، او می افزاید.
آنها نیز بهبود یافته است قیمت می باشد. هنگامی که کلیسای جوبیلی ساخته شده است، تخمین می زند Cassar، هزینه سیمان خاص 10 بار به همان اندازه به عنوان سیمان استاندارد. در حال حاضر، بسته به کاربرد، هزینه های آن را می توان به عنوان کم سه بار است که از مواد معمولی.
متبلور بتن این رنگی اسکن ریزنگار الکترونی نشان می دهد که بتن (قهوه ای) متبلور در اطراف بلورهای دانه X-؟ (آبی)، 500 نانومتر تا 30 متر در سراسر. BASF مشاهده تصویر بزرگ
متبلور بتن این رنگی اسکن ریزنگار الکترونی نشان می دهد که بتن (قهوه ای) متبلور در اطراف بلورهای دانه X-؟ (آبی)، 500 نانومتر تا 30 متر در سراسر.
حتی با وجود چنین ساختمان های با مشخصات بالا، پیشرفت فناوری نانو شده است تا حدودی آهسته در صنعت ساخت و ساز، که در آن خطوط پایین تنگ همیشه ترک اتاق را برای پیشرفت های تکنولوژیکی است. ساخت و ساز است و نه متفاوت از دیگر بخش های صنعتی، می گوید: "پیتر JM Bartos، رئیس سابق مرکز اسکاتلند برای فناوری نانو در ساخت و ساز در دانشگاه غرب اسکاتلند است. "بر خلاف صنایع دیگر، به عنوان مثال، میکروالکترونیک، هوافضا، و یا حتی در صنعت خودرو، سطح سرمایه گذاری در تحقیقات ساخت و ساز بسیار کم است."
همچنین، Bartos می گوید، "صنعت ساخت و ساز است که توسط شرکت های کوچک و متوسط قرار دارند. بازیکنان بزرگ در ساخت و ساز وجود دارد مانند در صنایع شیمیایی وجود دارد، که در آن R گسترده و تلاش D وجود دارد. بسیاری از ساخت و ساز است، در واقع، انجام شده توسط شرکت های کوچک که فقط چند نفر را استخدام شده است. "
Surendra P. شاه، استاد مهندسی عمران در دانشگاه نورث وسترن و مدیر سابق مرکز مدرسه پیشرفته مواد مبتنی بر سیمان، بیش از صرف یک دهه مطالعه چگونه فناوری نانو می تواند به سیمان و بتن را بهبود بخشد. او با Bartos که را شده است وجود دارد در حال رشد علاقه در آوردن فناوری نانو به صنعت ساخت و ساز موافق، اما، او می گوید: "تا آنجا به عنوان برنامه های کاربردی تجاری هستند نگران، آن است هنوز در مرحله آغاز است." شاه فکر می کند برنامه های امیدوار کننده وجود دارد، و او اشاره که حضور رو به رشد فناوری نانو در مصالح ساختمانی باعث انجمن تحقیقات آکادمی ملی حمل و نقل برگزاری همایش استفاده از فناوری نانو در بتن و سیمان سال تاریخ و زمان آخرین.
یک منطقه است که در آن گروه شاه انجام تحقیقات شده است با استفاده از نانولوله های کربنی و نانوالیاف به منظور تقویت سیمان و بتن. "هنگامی که می بینید سیمان و بتن، ترک به شما مراجعه کنید، زیرا این مواد شکننده است،" او توضیح می دهد. "این ترک ها در مقیاس نانو شروع می شود. ما نشان داده اند که هنگامی که شما می دانید که چگونه در متفرق کردن آنها، مقادیر بسیار کمی از نانولوله های کربنی، از جمله به عنوان: 0.05٪ قابل ملاحظه ای می تواند مقاومت در برابر ترک خوردگی را افزایش می دهد. "
خوب پراکنده نانولوله های کربنی و نانوالیاف کربن را تغییر دهید. نانوساختار سیمان، تقویت، یادداشت های شاه. "این هیجان انگیز است چرا که فناوری نانو در باره دستکاری مواد در مقیاس نانو،" او می گوید.
فناوری نانو همچنین باعث می شود که بتن یک ماده پایدار، شاه می گوید. به عنوان مثال، خاکستر بادی، محصول تولید زغال سنگ که در غیر این صورت می توان در محل های دفن زباله ریخته، می تواند به جای سیمان مورد استفاده قرار گیرد را به بتن است. مشکل، شاه توضیح می دهد، این است که شیمی هیدراتاسیون بتن گیری طول می کشد با خاکستر بادی.
بذر پرواز خاکستر بتن با مقدار کمی از نانوذرات سیلیس می تواند سرعت بخشیدن به هیدراسیون، شاه می گوید، بنابراین شما می تواند پرواز خاکستر بتن و استفاده از همان سرعت ساخت و ساز است که شما را در هنگام استفاده از بتن معمولی است. علاوه بر این، او می افزاید، نانوذرات را تغییر دهید نانوساختار از سیمان هیدراته در نتیجه بهبود دوام.
شیمی غول BASF در حال حاضر این ایده بذر و ایجاد یک محصول تجاری برای سرعت بخشیدن به روند سخت شدن بتن معمولی است. شناخته شده به عنوان X-دانه، محصول حاوی نانوبلور از کلسیم هیدرات سیلیکات است. اندازه بسیار کوچک از بلورهای دانه X ایجاد بسیاری از سایت ها برای هسته، سرعت بخشیدن به سرعت که در آن بتن سخت است.
عملا، که بدان معنی است که آن را به ممکن است سازه های پیش ساخته، بتن مانند تیرهای پل، لوله های فاضلاب، و راه پله، سریعتر از آن خواهد بود بدون X-دانه را، می گوید بروس کریستنسن، رئیس جمهور معاون BASF است از تکنولوژی جهانی و نوآوری در مدیریت مواد شیمیایی ساخت و ساز است. این شرکت تخمین می زند که X-دانه می تواند زمان سخت شدن برای سازه های پیش ساخته بتن را از 12 ساعت تا شش ساعت در دمای محیط کاهش است.
"این چیزی است که یک ایده کاملا جدید نیست،" کریستنسن می گوید دانه X است. با توجه به متون ثبت اختراع و انتشارات، با استفاده از نانوذرات برای سرعت بخشیدن به هیدراسیون در بتن در دهه پیش مطرح شد. "گروه تحقیق ما نشان داده است برخی از روش های خلاق را به ذرات در چنین راه را برای تحقق بخشیدن به اثر بذر،" او می گوید. به طور خاص، محققان در برخی از تکنولوژی پلیمر برای حفظ نانوبلور از آمیخته شدن با یکدیگر، زمانی که در محلول پراکنده است.
نانوساختار STEEL MMFX 2 فولاد میلگرد، مقاوم در برابر خوردگی است که به دلیل نانوساختار آن، پایه و اساس یک پل در چشمه ماهی بزرگ وباریک مدیترانه، فلوریدا MMFX strenghtens
نانوساختار STEEL MMFX 2 فولاد میلگرد، مقاوم در برابر خوردگی است که به دلیل نانوساختار آن، پایه و اساس یک پل در چشمه ماهی بزرگ وباریک مدیترانه، فلوریدا strenghtens
تا آنجا که محصولات مربوط به سیمان به، BASF همچنین باعث می شود یک خط کامل از مواد افزودنی تحمل نام مورد نانو، از جمله Nanocrete، Nanoflott، Nanolight و Nanosilent. این محصولات انجام نانوذرات نیست، کریستینسن توضیح می دهد، بلکه آنها را تشکیل نانوساختارها به عنوان آنها استفاده می شود. «نانوساختارها را در اطراف برای قرن ها در آن توجه شده است، اما ما در حال درک بهتر و بهتر چگونه این فرم نانوساختارها و این روند که در این راه می توان به بهبود خواص مواد را تحت تاثیر قرار،" او می گوید.
BASF استفاده از فناوری نانو در مصالح ساختمانی است که به محصولات سیمانی محدود نمی شود. آنها همچنین Col.9، پراکندگی ذرات پلیمر پلاستیکی آلی و ذرات در مقیاس نانو سیلیکا، است که به عنوان چسب استفاده می شود برای تولید رنگ نما. به گفته این شرکت، این ترکیب از مواد الاستیک آلی و مواد معدنی سخت، مقاوم در برابر ترک خوردگی در هوای سرد، اما نمی شود رنگ ورو رفته زمانی که آن را هوای بیرون گرم باشد.
نانوذرات در Col.9 نیز آبدوست، گسترش آب باران در سراسر سطح منطقه پوشش داده شده است. در باران های سنگین، این ویژگی کمک می کند تا سطح پوشش داده شده را شستشو گرد و خاک، و پس از باران، آن را پخش هرگونه آب باقی مانده را به یک فیلم نازک است که خشک به سرعت، در نتیجه جلوگیری از قالب.
کریستنسن انتظار حضور فناوری نانو در مواد شیمیایی ساخت و ساز به رشد است. "ایده فناوری نانو پیدا کردن راه خود را به ساخت و ساز در یک راه عملی احتمالا در حال حاضر شروع به دست آوردن شتاب" به دلیل اولین محصولات تجاری، در نهایت ضربه قفسه، او می گوید.
یکی دیگر از محصول نانوساختار ساختمان است که در بازار یک نوع از فولاد، معروف به عنوان MMFX 2، توسعه یافته توسط فن آوری های MMFX است. مخترع آن، دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، استاد علم مواد گرت توماس، برای اولین بار استفاده از میکروسکوپ الکترونی به نانوساختار فولاد در 1980s نقطه. بیست سال بعد، توماس MMFX در حال توسعه یک سری از اختراع ثبت شده کلیدی برای ساخت فولاد نانوساختار منجر شده است.
"ساخت فولاد بود که همیشه هنر سیاه و سفید و یا یک علم سیاه و سفید، می گوید:" MMFX بنیانگذار و مدیر اجرایی سابق افسر دیوید C. پولاک است. "آنها به گرما استفاده می شود، ضرب و شتم، و امیدواریم. آنها نوع از درک آنچه قرار بود، اما با میکروسکوپ الکترونی آنها در واقع می تواند ببینیم که چه چیزی اتفاق می افتد در مقیاس نانو بود، "او می گوید. "این به ما درک کاملا جدید است.
"فولاد معمولی، هنگامی که آن را سرد، می رود از طریق یک دگرگونی که در آن تمایل خود را برای کربن الزام آور را از دست می دهد. چه اتفاقی می افتد پس از آن کربن رسوب و این بارش به شکل کاربید در مرز دانه ها، "پولاک توضیح می دهد. "این کاربیدها بسیار سخت است، اما آنها نیز بسیار شکننده است و آنها بی شباهت به بقیه از ساختار فولاد است. آنها پاشنه آشیل از فولاد است. "
در یک محیط مرطوب، پولاک ادامه می دهد، کاربیدهای تشکیل یک سلول microgalvanic با فریت فولاد، که شروع به زنگ زدن فولاد از درون است. اما MMFX؟ 2 فولاد متفاوت است. آن را از متناوب لایه های در مقیاس نانو از آستنیت و مارتنزیت دو اشکال کریستال ساخته شده از فولاد و کاربید آزاد است که عملا در مرز دانه است.
بدون کاربید در مرز دانه ها، مواد انعطاف پذیر است، به جای شکننده است، و مقاومت در برابر خوردگی در فولاد معمولی دیده می شود. همچنین ساختار nanolayered باعث می شود مواد تشکیل دهنده، پولاک می گوید، چرا که آن را از لایه های سخت و نرم را از ماده ای که می تواند بدون شکستن خم تشکیل شده است.
MMFX 2 فولاد با فولاد سازی تجهیزات معمولی ساخته شده است. پولاک می گوید که وقتی که صحبت کردن در مورد فناوری نانو، مردم اغلب در مواد ساخته شده توسط گرم شگفت زده است. "در در مورد MMFX، ما می توانیم فناوری نانو در 100 تن در ساعت را،" او می گوید.
این مواد شده است در ساختمان ها، بزرگراه ها و پل ها استفاده می شود و دارای عمر 200 سال. و چون آن دو برابر فولاد معمولی قوی، یادداشت پولاک، سازه نیاز به فولاد کمتر به انجام این کار است. بنابراین، اگر چه فولاد خود را گران تر از مواد معمولی است، هزینه های کار کاهش می یابد.
پاک کردن ویندوز پوشش در موزه زمین در ایتاکا، نیویورک، پاک ماندن، به لطف پوشش در مقیاس نانو TiO2 به. Pilkington
پاک کردن ویندوز پوشش در موزه زمین در ایتاکا، نیویورک، پاک ماندن، به لطف پوشش در مقیاس نانو TiO2 به.
یک بخش از صنعت ساخت و ساز که در آن فناوری نانو شده است ساخت یک تفاوت روشن در محصولات است که در شیشه پنجره می باشد. با اضافه کردن یک پوشش در مقیاس نانو TiO2 به شیشه، شرکت را کم تعمیر و نگهداری ویندوز است که می تواند خود را تمیز.
شیمی همان است که کلیسای جوبیلی در تمیز رم نگه می دارد: نور UV فعال TiO2 به طوری که آن را اکسید دوده آلی، هر دو به طور مستقیم و با تبدیل بخار آب به رادیکالهای هیدروکسیل است که می تواند ترکیبات آلی را به CO2 تبدیل می باشد.
این عمل با استفاده از دی اکسید تیتانیوم برای ساخت سطوح خود تمیز کردن نسبتا قدیمی است، می گوید: کریس بری، مدیر خدمات فنی در شیشه ای ساخت شرکت Pilkington. اما TiO2 به طور معمول سفید است، به طوری که آن را به طور عمده در رنگها استفاده می شد. "چه چیزی جدید است توانایی برای ایجاد پوشش در یک لایه نازک به اندازه کافی به آن را در شیشه پنجره به طوری که شما می توانید از طریق آن را مشاهده کنید و می توان آن را اعمال یکنواخت به اندازه کافی به طوری که آن را نشانی از رگه ها و یا تغییرات در ظاهر را ندارد شیشه ای، "بری توضیح می دهد. "ما چهار پوشش نامرئی. یکی از بزرگترین مشکلاتی که ما داریم این است که اطمینان حاصل کنید که شیشه گر می داند که چگونه به نصب شیشه ای به درستی پس از آن در رو به عقب قرار داده است. "
علاوه بر خواص فوتوکاتالیستی TiO2 به، مواد آبدوست می شود هنگامی که در معرض نور UV قرار است. این نامرئی کهنه پاک کردن اثر، "بری می گوید. "به طور معمول، هنگامی که باران می افتد روی شیشه، آن را به مهره تا تمایل و اجرا پایین در rivulets، اما اگر شیشه ای است آبدوست و به خود جذب آب، آب اجرا پایین به عنوان یک ورقه و آن است عمل گرگرفتگی است که کاملا موثر در از بین بردن لکه از خاک معدنی مانند شن و ماسه سیلیس.
شیمی از آن است که بسیار ظریف و زیبا، "بری می گوید از شیشه خود تمیز کردن، اما به او اخطار می دهد که پنجره ها با پوشش همیشه نخواهد بود دارای صدای شبیه جغد یا موش پاک است. "پوشش در سطح مولکولی کار می کند، و گرد و خاک تمایل دارد در سطح کلان: مدفوع پرنده، یک توده spiderweb، رزین از یک درخت. شما در حال پرسیدن یک پوشش دو بعدی را به شکستن یک کوه های سه بعدی از مواد. فورا اتفاق نمی افتد. و اگر شما بر روی یک پنجره رو گرد و غبار های معدنی، آن را نمی خواهد را تمیز باشد تا زمانی که شما می توانید برخی از باران.
برای ایجاد یک پوشش است که فقط 50 نانومتر ضخامت برای تمیز کردن خط خود را غیر فعال از ویندوز، Pilkington با استفاده از رسوب شیمیایی بخار به اعمال مواد به شیشه های تازه تشکیل شده، در حالی که آن هنوز هم تحت اتمسفر نیتروژن. "ما عبور شیشه ای در زیر تیرهای که در معرض سطح بالا به TiO2 به بخارات،" بری توضیح می دهد. پوشش "فیوز کاملا با سطح ultraclean شیشه است."
این شرکت با استفاده از روش های مشابه برای اعمال پوشش در مقیاس نانو از مواد شیمیایی دیگر. سیلیس و پوشش سیلیکون، شناخته شده به عنوان پوشش های خورشیدی، کنترل، کمک به تنظیم مقدار گرما از نور خورشید که از طریق پنجره می آید، در نتیجه کاهش تهویه مطبوع استفاده کنید. کم emissivity پوشش ها، ساخته شده از فلوئور اکسید قلع دوپ شده، جلوگیری از حرارت مادون قرمز از فرار یک ساختمان، کاهش هزینه های گرمایش به طور کلی است.
اگرچه فناوری نانو در بخش های خاصی از صنعت ساخت و ساز بالغ شده است، بسیاری از افراد مشغول به کار در این زمینه پیشرفت های بسیاری بیشتری در آینده انتظار می رود. جورج الوین، استاد معماری در دانشگاه ایالتی بال و مدیر انجمن تکنولوژی سبز، هاب اطلاعات است که با تمرکز بر روی فن آوری های در حال ظهور سبز در معماری، مطالعه تقاطع دو رشته شده است برای یک دهه. او می آموزد یک دوره که در آن دانش آموزان به بررسی پیشرفت های فناوری نانو که در آزمایشگاه ثابت شده است و پیش بینی که چگونه آنها را می توان در آثار معماری استفاده می شود باید که تا کنون تجاری.
"برای مثال، اگر شما نسبت مقاومت به وزن از نانولوله های کربنی نگاه کنید، آنها چند بار قوی تر از فولاد و در عین حال سبکتر. آنها می توانند شفاف باشد، آنها می توانند الکتریسیته را هدایت، "الوین می گوید. "اگر شما می تواند در مقیاس بزرگ ورق کربن نانولوله مواد تقویت شفاف داشته باشند، و سپس شما می توانید از یک ساختمان است که اساسا مثل یک پنجره ی شیشه ای نگاه کرد. شما واقعا اجزای سنتی ستون ها و تیرها یا بتن و فولاد است که ما در حال حاضر وجود ندارد. "
این منطقه از سنسورها نیز جرقه بسیاری از علاقه در صنعت ساخت و ساز، می گوید: JJ پدرو آلوارز، رئیس گروه فنی و مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه رایس، که یک بررسی در مورد فناوری نانو در ساخت و ساز، نوشت: در سال گذشته (ACS نانو، DOI: 10.1021 / nn100866w). چنین سنسورهای مقیاس نانو می توان در بنیاد ساختار تعبیه شده و می تواند به شما هشدار می دهد اگر شما نیاز به انجام کاری در مورد یک پل و یا یک ساختمان، "آلوارز می گوید.
هر دو الوین و آلوارز توجه داشته باشید، با این حال، که با وجود پتانسیل های زیادی از فناوری نانو در ساخت و ساز، هیچ کس نمی داند برای برخی که آیا پیامدهای نامطلوب وجود خواهد داشت. "متاسفانه، ما بهترین سابقه را در چگونگی استفاده کرده اند تکنولوژی همیشه نه بود، و در حال حاضر پس از این واقعیت است که برنامه های کاربردی خاص، در برخی از موارد، کاملا مضر، مانند آزبست،" الوین می گوید. او یادداشت های یک مطالعه اخیر نشان داد که چگونه TiO2 به نانوذرات ممکن است چرخه نیتروژن در اکوسیستم های آبزی (علمی فناوری Environ.، DOI.: 10.1021/es101658p) را مختل می باشد.
اما آلوارز اخطار می دهد که مطالعات فعلی در مورد اثرات سوء نانومواد ممکن است یک تصویر واقع بینانه از قرار گرفتن در معرض به انسان رنگ ندارد. "ما در حال استفاده از گروه آزمون و یا سلولها و یا باکتریهای که به در معرض غلظت exaggeratedly بالا قرار گرفته برای استنباط پاسخ،" او می گوید. "غلظت که مضر هستند، حداقل برای قرار گرفتن در معرض حاد، تمایل به unrealistically بالا، بسیار بالاتر از یک فرد، به احتمال زیاد در معرض است."
علاوه بر این، آلوارز می گوید، مطالعات اغلب در نانومواد در قالب باکره خود را نگاه کنید، در واقع چیزی است که مردم در معرض نانوذرات شده است که در برخی از مرتب کردن بر اساس ماتریس های جاسازی شده و یا شده اند که هوای در محیط زیست خواهد شد. ذرات چنین انتظار می رود به انجام تحولات است که به کاهش جذب و سمیت مواد است. "در نتیجه آن، ما واقعا به دنبال در بدترین حالات ممکن است که واقعا واقع بینانه نیست،" او اشاره.
آلوارز می گوید، در حال حاضر، مهم این است که برای به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض. برای صنعت ساخت و ساز است که به معنی ساخت نانومواد مطمئن شوید که نمی خواهد تدریجا از ساختار به راحتی. مهم تر، آلوارز می گوید، این است که مطمئن شوید که کارگران که مسئولیت رسیدگی به این مواد به عنوان آنها در حال ایجاد پوشیدن تجهیزات محافظ تنفسی مناسب است. کنترل نوردهی بسیار مهم است، و آن است که به وضوح در داخل به معنی ما به خاطر خودمان محافظت از چیزهایی که بسیار nastier، "او می گوید.
در نهایت، آلوارز فکر می کند که فناوری نانو انقلابی در صنعت ساخت و ساز است. او می گوید: "اما ما در مراحل ابتدایی هستیم در حال حاضر،". "قبل از اینکه ما خیلی سریع حرکت می کند، اجازه بدهید مطمئن شوید که ارزیابی ریسک و استفاده از اکو مسئول، طراحی، و دفع نمی افتد بیش از حد پشت. ما می خواهیم برای استفاده از فناوری نانو به عنوان ابزاری برای پایداری، و ما می خواهیم برای مطمئن شوید که که ما در آینده محیط زیست و یا عمومی مسئولیت سلامت ایجاد نمی. "
|
