فناوری نانو و کاربردهای آن در صنعت ساختمان

صنعت ساختمان همواره در پی نوآوری و بهبود مستمر بوده است. از مصالح نوین گرفته تا روش های ساخت پیشرفته تلاش برای افزایش کیفیت کارایی و پایداری در این صنعت پایانی ندارد. در این میان فناوری نانو به عنوان یکی از پیشروترین حوزه های علمی با ارائه راهکارهای نوین و مواد هوشمند انقلابی در صنایع مختلف از جمله ساختمان سازی به پا کرده است از جمله انواع چسب افزودنی بتن عایق های رطوبتی نانو نما  نانو آجر و … این فناوری با دستکاری مواد در مقیاس اتمی و مولکولی امکان تولید مصالح ساختمانی با خواص بی نظیر و کارکردهای چندگانه را فراهم آورده است.

فناوری نانو چیست و چرا در ساختمان سازی اهمیت دارد؟

فناوری نانو به طور خلاصه علم و مهندسی در مقیاس نانومتر (یک میلیاردم متر) است. در این مقیاس خواص مواد به طرز چشمگیری تغییر می کند و امکان ایجاد موادی با ویژگی های کاملاً جدید و بهبود یافته فراهم می شود. به عنوان مثال نانوذرات می توانند سطح تماس بسیار بالایی داشته باشند که منجر به افزایش واکنش پذیری و بهبود عملکرد مواد می شود.

اهمیت فناوری نانو در صنعت ساختمان 

• بهبود خواص مصالح : فناوری نانو امکان تولید مصالح ساختمانی با مقاومت بیشتر دوام طولانی تر وزن کمتر و عملکرد بهتر در برابر شرایط محیطی مختلف را فراهم می آورد.
• کاهش مصرف انرژی : استفاده از نانومواد در عایق های حرارتی و شیشه های هوشمند منجر به کاهش چشمگیر مصرف انرژی در ساختمان ها و افزایش بهره وری انرژی می شود.
• افزایش پایداری : فناوری نانو با ارائه مصالح بادوام تر و مقاوم تر به افزایش عمر مفید ساختمان ها و کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری کمک می کند که در نهایت منجر به پایداری بیشتر در صنعت ساختمان می شود.
• ایجاد کارکردهای جدید : نانومواد می توانند خواص خودتمیزشوندگی ضد میکروبی ضد حریق و حسگری را به مصالح ساختمانی اضافه کنند و ساختمان ها را به فضاهای هوشمند و کارآمدتر تبدیل کنند.

کاربردهای فناوری نانو در مصالح ساختمانی

فناوری نانو طیف گسترده ای از کاربردها را در مصالح مختلف ساختمانی ارائه می دهد. در ادامه به بررسی تخصصی برخی از مهم ترین این کاربردها می پردازیم : 

1- بتن نانویی : استحکام و دوام بی نظیر

بتن پرمصرف ترین مصالح ساختمانی در جهان همواره در معرض آسیب های محیطی و مکانیکی قرار دارد. فناوری نانو با افزودن نانوذرات به بتن خواص آن را به طور چشمگیری بهبود می بخشد.

• نانو سیلیس : افزودن نانو سیلیس به بتن باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی بتن کاهش نفوذپذیری آب و یون های کلرید و در نتیجه افزایش دوام بتن در برابر شرایط سخت محیطی می شود. نانو سیلیس با پر کردن فضاهای خالی میکروسکوپی در بتن ساختار آن را متراکم تر و مستحکم تر می کند.
• نانو لوله های کربنی : این مواد نانویی با مقاومت کششی فوق العاده می توانند به عنوان الیاف تقویت کننده در بتن استفاده شوند و مقاومت کششی و انعطاف پذیری بتن را به طور قابل توجهی افزایش دهند. بتن تقویت شده با نانو لوله های کربنی مقاومت بیشتری در برابر ترک خوردگی و خستگی دارد.
• نانو رس : افزودن نانو رس به بتن باعث بهبود کارایی بتن تازه افزایش مقاومت اولیه و کاهش جمع شدگی بتن می شود. نانو رس همچنین می تواند به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در بتن استفاده شود و به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با تولید سیمان کمک کند.

2- فولاد نانویی : مقاومت و ضد خوردگی پیشرفته

فولاد یکی دیگر از مصالح کلیدی در ساختمان سازی به دلیل استحکام بالا و قابلیت شکل پذیری کاربردهای گسترده ای دارد. فناوری نانو می تواند خواص فولاد را به مراتب ارتقا دهد : 

• فولادهای با استحکام فوق العاده بالا : با استفاده از فناوری نانو می توان فولادهایی با استحکام تسلیم و کششی بسیار بالاتر از فولادهای معمولی تولید کرد. این فولادها می توانند در سازه های بلند مرتبه و پل ها با کاهش وزن سازه و افزایش ایمنی کاربرد فراوانی داشته باشند.
• فولادهای ضد خوردگی : نانو پوشش ها و نانو آلیاژها می توانند مقاومت فولاد در برابر خوردگی و زنگ زدگی را به طور چشمگیری افزایش دهند. این امر به ویژه در محیط های مرطوب و خورنده مانند مناطق ساحلی بسیار حائز اهمیت است و عمر مفید سازه های فولادی را افزایش می دهد.
• فولادهای خود ترمیم شونده : تحقیقات در زمینه تولید فولادهای خود ترمیم شونده با استفاده از نانوذرات در حال انجام است. این فولادها می توانند به طور خودکار ترک های کوچک و آسیب های سطحی را ترمیم کنند و عمر مفید سازه ها را به طور چشمگیری افزایش دهند.

3- شیشه نانویی : شفافیت عایق حرارتی و خودتمیزشوندگی

شیشه عنصری ضروری در نمای ساختمان و تامین نور طبیعی با استفاده از فناوری نانو می تواند کارکردهای جدید و بهبود یافته ای پیدا کند : 

• شیشه های عایق حرارتی : پوشش های نانویی بر روی سطح شیشه می توانند میزان انتقال حرارت از طریق شیشه را به طور چشمگیری کاهش دهند. این پوشش ها معمولاً از نانوذرات اکسید فلزات مانند اکسید قلع یا اکسید ایندیوم ساخته می شوند و می توانند به صورت لایه نازک و شفاف بر روی شیشه اعمال شوند. شیشه های عایق حرارتی به کاهش مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها کمک شایانی می کنند.
• شیشه های خودتمیزشونده : پوشش های نانویی فتوکاتالیستی بر روی سطح شیشه با استفاده از نور خورشید آلودگی ها و ذرات گرد و غبار را تجزیه کرده و از سطح شیشه جدا می کنند. این پوشش ها معمولاً از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ساخته می شوند و نیاز به شستشوی مکرر شیشه ها را کاهش می دهند.
• شیشه های مقاوم در برابر اشعه UV : نانوذرات اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم می توانند به عنوان جاذب اشعه UV در شیشه ها استفاده شوند و از ورود اشعه مضر فرابنفش به داخل ساختمان جلوگیری کنند. این شیشه ها از وسایل و مبلمان داخلی در برابر رنگ پریدگی و آسیب ناشی از اشعه UV محافظت می کنند.
• شیشه های مقاوم به خراش : افزودن نانوذرات سخت به شیشه می تواند مقاومت آن در برابر خراشیدگی و سایش را افزایش دهد و عمر مفید شیشه ها را طولانی تر کند.

4- عایق های حرارتی نانویی : کارایی بی نظیر در صرفه جویی انرژی

عایق های حرارتی نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی ساختمان ها ایفا می کنند. فناوری نانو با ارائه عایق های نانویی کارایی این مصالح را به سطح جدیدی ارتقا داده است : 

• ایروژل ها : ایروژل ها مواد نانومتخلخل با چگالی بسیار پایین و عایق حرارتی فوق العاده بالا هستند. ایروژل ها می توانند به صورت پانل های عایق اندودهای حرارتی و افزودنی به مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گیرند و کارایی عایق بندی حرارتی ساختمان ها را به طور چشمگیری افزایش دهند.
• عایق های نانویی خلاء : این عایق ها از دو لایه نازک مواد با فاصله نانومتری تشکیل شده اند که فضای بین آن ها تخلیه هوا شده است. عایق های نانویی خلاء بالاترین راندمان عایق حرارتی را در بین عایق های موجود ارائه می دهند و برای کاربردهایی که فضای محدود و کارایی بالا مورد نیاز است بسیار مناسب هستند.

5- رنگ ها و پوشش های نانویی : کارکردهای چندگانه و دوام بالا

رنگ ها و پوشش های نانویی با بهره گیری از خواص نانومواد کارکردهای متعددی را فراتر از جنبه زیبایی ارائه می دهند : 

• رنگ های خودتمیزشونده : این رنگ ها با استفاده از نانوذرات فتوکاتالیستی آلودگی ها و ذرات گرد و غبار را تجزیه کرده و سطح نما را تمیز نگه می دارند.
• رنگ های ضد میکروبی : افزودن نانوذرات نقره یا نانوذرات اکسید روی به رنگ ها خواص ضد میکروبی و ضد قارچی به آن ها می بخشد و از رشد باکتری ها و قارچ ها بر روی سطح نما جلوگیری می کند. این رنگ ها به ویژه برای محیط های بهداشتی و بیمارستانی بسیار مناسب هستند.
• رنگ های مقاوم در برابر خوردگی : نانو پوشش های پلیمری و سرامیکی می توانند مقاومت سطوح فلزی و بتنی در برابر خوردگی و مواد شیمیایی را به طور چشمگیری افزایش دهند.
• رنگ های عایق حرارتی : رنگ های حاوی نانوذرات عایق حرارتی می توانند به عنوان یک لایه عایق حرارتی نازک بر روی سطوح ساختمان اعمال شوند و به کاهش انتقال حرارت کمک کنند.

چالش ها و آینده فناوری نانو در صنعت ساختمان

با وجود پتانسیل های فراوان فناوری نانو در صنعت ساختمان چالش هایی نیز در مسیر تجاری سازی و استفاده گسترده از این فناوری وجود دارد : 

• هزینه تولید : تولید نانومواد و مصالح نانویی در مقیاس صنعتی هنوز هزینه بر است. کاهش هزینه های تولید و افزایش مقیاس پذیری از مهم ترین چالش های پیش رو است.
• استانداردسازی و ایمنی : تدوین استانداردهای مشخص برای نانومواد و مصالح نانویی و بررسی ایمنی آن ها برای انسان و محیط زیست از الزامات اساسی برای استفاده گسترده از این فناوری است.
• آگاهی و پذیرش عمومی : افزایش آگاهی مهندسان معماران پیمانکاران و سازندگان در مورد مزایا و کاربردهای فناوری نانو و ایجاد پذیرش عمومی نسبت به این فناوری نقش مهمی در توسعه بازار مصالح نانویی دارد.

با این وجود آینده فناوری نانو در صنعت ساختمان بسیار روشن به نظر می رسد. تحقیقات و توسعه در این حوزه به سرعت در حال پیشرفت است و انتظار می رود در سال های آینده شاهد ورود مصالح نانویی پیشرفته تر و مقرون به صرفه تر به بازار باشیم. فناوری نانو با ارائه راهکارهای نوآورانه و مصالح هوشمند صنعت ساختمان را به سوی ساختمان های پایدارتر کارآمدتر و با کیفیت تر هدایت خواهد کرد.

نتیجه گیری

فناوری نانو با ارائه مصالح ساختمانی نوین و بهبود یافته پتانسیل عظیمی برای تحول صنعت ساختمان دارد. از بتن و فولاد نانویی با استحکام و دوام بی نظیر گرفته تا شیشه های هوشمند و عایق های حرارتی نانویی با کارایی بالا این فناوری امکان ساخت ساختمان هایی با عملکرد بهتر مصرف انرژی کمتر و عمر طولانی تر را فراهم می آورد.

با رفع چالش های موجود و توسعه بیشتر این فناوری انتظار می رود در آینده ای نزدیک شاهد استفاده گسترده تر از مصالح نانو در صنعت ساختمان باشیم و ساختمان هایی هوشمندتر پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست بنا کنیم.

پرسش و پاسخ های متداول

۱. آیا استفاده از فناوری نانو در ساختمان سازی مقرون به صرفه است؟
در حال حاضر هزینه تولید برخی از مصالح نانویی هنوز بالا است. اما با پیشرفت فناوری و افزایش مقیاس تولید انتظار می رود هزینه ها کاهش یابد. از طرفی مزایای بلندمدت استفاده از مصالح نانویی مانند افزایش دوام کاهش مصرف انرژی و کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری می تواند توجیه اقتصادی استفاده از این فناوری را در بسیاری از موارد فراهم کند.

۲. آیا مصالح نانویی از نظر زیست محیطی ایمن هستند؟
تحقیقات در زمینه ایمنی و اثرات زیست محیطی نانومواد همچنان در حال انجام است. برخی از نانومواد ممکن است در صورت ورود به محیط زیست یا بدن انسان اثرات منفی داشته باشند. با این حال با انتخاب نانومواد مناسب طراحی ایمن مصالح و رعایت استانداردهای تولید و استفاده می توان خطرات احتمالی را به حداقل رساند.

۳. از کجا می توان مصالح نانویی را تهیه کرد؟
بازار مصالح نانویی هنوز در حال توسعه است و دسترسی به برخی از این مصالح ممکن است محدود باشد. با این حال تعدادی از شرکت ها و تولیدکنندگان در حال حاضر مصالح نانویی مختلفی مانند نانو سیلیس نانو رس رنگ های نانویی و عایق های نانویی را به بازار عرضه کرده اند. با گسترش بازار و افزایش آگاهی عمومی دسترسی به این مصالح در آینده آسان تر خواهد شد.