تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان

فناوري نانو يا نانوتكنولوژي رشته‌اي از دانش كاربردي و فناوري است كه جستارهاي گسترده‌اي را پوشش مي‌دهد. موضوع اصلي آن نيز مهار ماده يا دستگاه‌هاي در ابعاد كمتر از يك ميكرومتر، معمولا حدود يك تا 100 نانومتر است. در واقع نانوتكنولوژي فهم و به‌كارگيري خواص جديدي از مواد و سيستم‌هايي در اين ابعاد است كه اثرات فيزيكي جديدي ـ عمدتا متاثر از غلبه خواص كوانتومي بر خواص كلاسيك ـ‌ از خود نشان مي‌دهند.
براي فهم بهتر و ساده‌تر نانو فرض كنيد يك جعبه از آجرك‌هاي ساختمان‌سازي در اختيار داريد و مي‌خواهيد با آن يك ديوار به ارتفاع 10 سانتي‌متر بسازيد. براي ساختن ديوار چند راه مختلف داريد:
راه اول: مي‌توانيد آجرك‌ها را همين طوري روي هم بريزيد تا يك پشته 10 سانتي‌متري درست شود. دراين حالت ديوار شما كاملا بي‌نظم و غيريكنواخت است. مثلا ضخامت ديوار در قسمت‌هاي پاييني خيلي بيشتر از قسمت‌هاي بالايي است.
راه دوم: ممكن است كمي حوصله به خرج دهيد و آجرك‌ها را چندتا چندتا به هم وصل كنيد. مثلا قطعاتي به اندازه جعبه كبريت بسازيد و بعد اين قطعات را همين طوري روي هم بريزيد تا يك پشته 10 سانتي‌متري درست بشود، اين بار هم ديوار شما بي‌نظم و غيريكنواخت خواهد بود، اما به طور قطع از ديوار قبلي منظم‌تر و قدري هم خوش‌قيافه‌تر است.
راه سوم: اگر خيلي آدم صبور و باحوصله‌اي باشيد، آجرك‌ها را دانه به دانه به هم متصل كرده تا يك مستطيل به ارتفاع 10 سانتي‌متر بسازيد. اين ديوار كاملا يكدست و منظم خواهد بود. به عنوان مثال اگر از وسط آن را بشكنيد، هر كدام از نصفه ديوارها نظم اوليه خود را حفظ خواهد كرد. عكس واقعي سطح يك ميله مسي كاملا صيقل داده شده در زير ميكروسكوپ به ديوار دوم شبيه است! اگر سطح يك فلز را خوب صيقل دهيم، بعد آن را بخوبي بشوييم و سپس زير ميكروسكوپ بگذاريم ساختاري را مشاهده خواهيم كرد كه به هر كدام از چندضلعي‌هاي تصوير يك «دانه» مي‌گوييم. هر دانه در واقع مجموعه‌اي از هزاران اتم فلز است كه به طور منظمي كنار هم قرار گرفته‌اند. هر كدام از اين اتم‌ها قطري در حدود «يك نانومتر» يعني يك ميليارديم متر دارند. خب، حال بگذاريد تشابه بين ديوارهاي شما و سطح فلز را بررسي كنيم:
آجرهاي ساختمان‌سازي مانند اتم‌ها هستند و قطعات به اندازه جعبه كبريت در ديوار دوم هم مانند دانه‌ها. در واقع اتم‌هاي درون يك دانه مانند آجرك‌هاي يك قطعه به هم متصل شده‌اند، اما ديوار سوم شبيه چيست؟
از يك نظر مي‌توان گفت كه ديوار سوم شبيه يك تصوير بزرگ از درون يكي از دانه‌هاست، اما آيا در عمل مي‌توانيم فلزي داشته باشيم كه همه اتم‌هاي آن مانند ديوار سوم به شكل منظم به هم متصل شده باشند؟ يعني همه سطح فلز يكدست باشد نه اينقدر تكه‌تكه و نامنظم؟
تا چند سال پيش نه‌تنها هيچ فلزي، بلكه هيچ ماده مصنوعي‌اي هم وجود نداشت كه در ابعاد بزرگ، حتي مثلا در ابعاد چند ميلي‌متر در چند ميلي‌متر، يكدست و منظم باشد. فكر مي‌كنيد چرا؟
دليلش اين است كه ما انسان‌ها در بيشتر مواقع وقتي مي‌خواهيم يك جسم جديد بسازيم، آن را از روش ساختن ديوار اول درست مي‌كنيم! شايد روش ساختن يك قطعه فلزي را در تلويزيون ديده يا در كتابي خوانده باشيد: «ابتدا فلز را ذوب مي‌كنيم و بعد به وسيله ظرف‌هاي مخصوصي فلز مذاب را درقالب قطعه مورد نظر مي‌ريزيم.» اين كار دقيقا مانند ساختن ديوار به روش اول است؛ كاملا كيلويي!
حتي همان دانه‌هاي ميله مسي هم كه زير ميكروسكوپ مي‌بينيم، به طور طبيعي و بدون دخالت انسان ايجاد مي‌شوند و ما در اكثر روش‌هاي معمول ساختنِ چيزها، توانايي نظم دادن يا شكل دادن به اتم‌ها در ابعاد كوچك را نداريم. البته بايد به اين نكته هم اشاره كرد كه در بسياري از كاربردها، به موادي شبيه به ديوار اول يا دوم نياز داريم. براي مثال فلزات كه ساختاري شبيه به ديوار دوم دارند (مثل همان ميله مسي)، قابليت چكش‌خواري و شكل‌پذيري بيشتري از خود نشان مي‌دهند.
اما در چند سال اخير روش‌هايي ابداع شده‌اند كه به ما اجازه مي‌دهند اتم‌ها و مولكول‌ها (آجرك‌ها) را به طور منظم و به دلخواه خودمان به هم متصل كنيم. دانشمندان اين روش‌هاي جديد را «نانوفناوري» ناميده‌اند.
شايد بپرسيد كه چرا اين روش‌هاي جديد را «نانوفناوري» ناميده‌اند؟ جواب اين است كه در شيوه‌هاي فوق با ساختارهايي سروكار داريم كه از تعداد كمي اتم و مولكول ساخته شده‌اند و اتم‌ها و مولكول‌ها هم ابعادي در حدود نانومتر دارند. همان‌طور كه مي‌دانيد خواص مواد به نوع اتم‌هاي تشكيل‌دهنده آنها و نوع اتصال اين اتم‌ها به يكديگر بستگي دارد. بنابراين اگر بتوانيم اين اتم‌ها را به شكل مورد نظر خودمان به هم متصل كنيم، مواد جديدي با خواص و توانايي‌هاي مورد نظرمان به دست مي‌آوريم؛ اين كار، مهم‌ترين هدف در نانوفناوري است. مثلا مي‌توانيم ماده‌اي بسازيم كه هم خيلي محكم باشد و هم خيلي سبك يا ماده‌اي كه در ابعاد بزرگ هم يكدست و منظم باشد.
استفاده از فناوري نانو در دنياي امروز
حرفه معماري امروزه بيش از هر زمان ديگري با گستره عظيمي از مواد و مصالح روبه‌رو است اگر چه انتخاب محصولاتي كه كمترين اثرات زيست‌محيطي را به دنبال دارند مهم‌ترين مساله در انتخاب مواد و مصالح پايدار است، ولي بايد ساير جنبه‌هاي آن همانند زيبايي و كيفيت بصري، قابل مرمت و نگهداري بودن، دسترسي راحت و ارزان به آنها را نيز مد نظر داشت. مصالح در طول چرخه خود بر محيط تاثير مي‌گذارند و مقياس تاثيرگذاري آنها مي‌تواند حتي گستره عظيم جهان را نيز در بر گيرد. مثلا استفاده از برخي مواد مي‌تواند به افزايش دماي كره زمين منجر شده و بر آن تاثير زيادي داشته باشد. در جدول زير اثرات احتمالي محيطي مواد در طول عمر آنها مورد بررسي قرار گرفته است. در توسعه پايدار مصالح ساختماني نقش مهمي دارند. اين مصالح بايد با كيفيت بالايي توليد شوند، داراي مواد سمي نباشند برگشت‌پذير بوده و در طول تمام چرخه زندگي خود، باعث صرفه‌جويي در مصرف انرژي شوند. اين نكته هم راستا با خاستگاه‌‌هاي اقتصادي و اجتماعي توسعه پايدار نيز مي‌باشد.
فناوري نانو با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر، امكان كنترل خواص ذاتي مواد را از جمله دماي ذوب، خواص مغناطيسي، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در تركيب شيميايي به وجود مي‌آورد. نانوتكنولوژي نويدبخش پيشرفت‌هاي چشمگيري در زمينه‌هاي مختلف علمي شده است. اين علم با كنترل مواد در مقياس مولكولي، گشايش اسرار طبيعت در تمام عرصه‌ها از مهندسي تا پزشكي را نويد مي‌دهد. بسياري از خواص يك ماده از قبيل رنگ، استحكام و شكنندگي قابل كنترل مي‌گردد. امكان تهيه مصالح مناسب و با ويژگي‌هاي مورد نظر در بخش‌هاي مختلف ساختمان و تاسيسات و تجهيزات سرمايي و گرمايي وابسته به آن باتوجه به نيازها و خواسته‌هاي ما، براي كاهش مصرف انرژي به صورت مستقيم و غيرمستقيم نقش بسزايي خواهد داشت. در بخش مواد و مصالح ساختماني و تاسيسات ساختماني مي‌توان به عمر زياد، ضربه‌پذيري زياد، شكنندگي كم و تغيير شكل‌هاي ناچيز اشاره نمود. به‌طور مثال مي‌توان به نمونه‌هايي از كاربردهاي فناوري نانو اشاره كرد. ساخت مصالح بسيار مقاوم در برابر نشست كه مي‌تواند در ساخت تاسيسات مورد نياز ساختماني به كار گرفته ‌شود، بهبود عملكرد لوله‌هاي انتقال آب، بالا بودن بازده الكتريكي و مكانيكي تاسيسات ساختمان‌ها، مقاوم‌سازي مصالح، عدم نياز به عايق كاري جداگانه در اين گونه مصالح و پاسخگويي به شرايط مختلف اقليمي كشور.

ساخت شيشه‌هاي خود تميزشونده كه حتي مشكل تميزكاري پنجره‌ها بخصوص در ساختمان‌هاي بلند را از ميان برمي‌دارد، با كمك فناوري نانو حاصل شده است و براي ساختمان‌ها مي‌توان علاوه بر جلوگيري از اتلاف انرژي در بخش‌هاي مختلف و استفاده بهينه انرژي در ساختمان، به حفظ و نگهداري ساختمان براي مدت طولاني و مقاوم‌سازي آن حتي براي حوادث غيرمترقبه (با صرفه اقتصادي) دست يافت. طراحي پايدار توجه به ويژگي‌هاي مواد را به عنوان يك عامل مهم براي جلوگيري از ضايعات و پسماندها مي‌داند. به عنوان مثال امروزه با استفاده از فناوري نانو در امر راهسازي مي‌توان با ايجاد يك سطح به هم بافته شده در بين لايه‌هاي زيرسازي و مصالح پوشاننده بر طول عمر پروژه افزود. اين مساله با بازدهي اقتصادي بالاتر همراه خواهد بود و گامي در راستاي بعد اقتصادي توسعه پايدار است. ضمن اين‌كه اين مساله نياز به شن و ماسه بستر را از بين مي‌برد كه اين نكته خود موجب كاهش اثرات زيست محيطي ناشي از استخراج شن و ماسه از معادن حمل و نقل به محل مورد نظر مي‌شود. عدم توجه به ويژگي‌هاي مواد مي‌تواند اجراي مصالح، استفاده مجدد و نگهداري آينده آنها را بشدت تحت تاثير قرار دهد.
كاربرد مواد نانو در ساختمان‌سازي
با توجه به رشد سريع تحقيقات علمي و عملي علوم و فنون نانو در كليه علوم و صنايع، توجه بسيار كمي به كاربردهاي اين پديده در صنعت ساختمان و به‌طور عام در ساخت و ساز شده است ولي اخيرا با توجه به تقويت‌كننده‌ها و استحكام‌دهنده‌هاي نانويي در مصالح ساخت و ساز موج جديدي با شتاب فزاينده‌اي صنعت ساخت و ساز را در بر گرفته است.
سيليسيم دي اكسيد يا سيليكا فراوان‌ترين ماده سازنده پوسته زمين است. اين تركيب با فرمول شيميايي SiO2 ساختاري شبيه الماس دارد، ماده‌اي بلوري و سفيد رنگ كه دماي ذوب و جوش آن نسبتا زياد است. SiO2 در طبيعت به 2 شكل بلوري و آمورف (بي‌شكل)‌يافت مي‌شود. كاربرد مهم سيليس در توليد انواع بتون است كه كيفيت و خواص محصول توليدشده آن بستگي زيادي به نوع و اندازه ذرات سيليكا دارد و نانولوله‌هاي كربني داراي دانسيته بسيار كم نسبت به فولاد و آلومينيوم مي‌باشد. به طوري كه دانسيته آن تقريبا يك‌پنجم دانسيته فولاد و يك‌سوم دانسيته آلومينيوم مي‌باشد. از كاربردهاي مهم نانولوله‌ها در ساخت سازه‌هاي سبك و مقاوم در مقابل كشش مطرح است كه با كاهش وزن سازه مقاومت آن در مقابل زلزله به دليل كاهش نيروهاي وارده به سازه افزايش مي‌يابد. در اينجا به بررسي اهميت و اثرات استثنايي سيليسيم در بتون تاكيد مي‌شود.
مواد نانو به عنوان موادي كه حداقل يكي از ابعاد آن (طول و عرض و ضخامت) زير100 نانومتر باشد تعريف شده‌اند. يك نانومتر، يك‌هزارم ميكرون يا حدود 100 هزار برابر كوچكتر از ضخامت موي انسان است. خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو (در شكل و فرم‌هاي متعددي كه وجود دارند ازجمله ذرات، الياف، گلوله و…) در مقايسه با مواد ميكروسكوپي نوع ديگر تفاوت اساسي دارند. تغييرات اصولي كه وجود دارد نه‌تنها از نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواص جديد آنها در سطح مقياس نانو مي‌باشد.
فناوري نانو و پوشش‌هاي ساختماني
نانو پوشش‌هاي ساختمان در سطوح داخلي و خارجي ساختمان‌ها ازجمله: سطوح شيشه‌اي، پلاستيكي، چوبي، فولادي، سنگي، آجري، كاشي، سراميكي، سيماني، بتوني و… استفاده مي‌شوند. در اين سطوح (سطوح هوشمند) كه عموما فوق آبدوست يا فوق آبگريز هستند واكنش‌ها روي سطح صورت مي‌گيرد. لازم به ذكر است كه نانو پوشش‌هاي ساختمان آنتي‌باكتريال بوده و براي سلامت انسان بي‌ضرر هستند.

گسترش این فناوری در معماری به طور چمشگیری در حال توسعه است که در زیر به چند مورد از آن اشاره شده است:

سیمان و بتن
نانو پوشش‌ها
نانو شیشه‌ها
رنگ‌های خود تمیز شونده
رنگ‌های تصفیه کننده هوا
سلولهای فتوولتاتیک