Что приходит вам на ум, когда вы слышите слово «нанотехнологии»? Крошечные роботы, похожие на жуков? Мир, переполненный серой слизью? Футуристические видения микроскопических созданий, плывущих по кровотоку в поисках инфекции? Хотя большинство из нас слышали о миниатюрной науке о нанотехнологиях, не всегда понятно, о чем все эти мелочи.
Первое, что сбивает с толку в нанотехнологиях, это то, что это не какая-то конкретная научная школа. Он относится к любой из наук, когда выполняется в заданном масштабе. На практике приставка «нано» относится к размеру материалов, при котором обычные законы физики нарушаются и вступают в силу квантовые эффекты (или наноэффекты): гравитация менее важна, а электромагнитная энергия работает по-другому.
Если это звучит безумно, подумайте об этом так: нанометр - это одна миллиардная часть метра, и эффекты гравитации и электромагнетизма становятся относительно незначительными, когда речь идет о чем-то меньшем, чем сто нанометров. В этом масштабе отличия от мира, который мы знаем, настолько разительны, что почти невообразимы.
Нанотехнологии теперь применяются в строительных материалах. Это относительно новая наука, но она уже влияет на производство строительных материалов, с которыми вы знакомы: стекла, стали, бетона, покрытий и даже дерева. Смешивание частиц нанотехнологий с этими материалами дает множество полезных эффектов.
От производства огнезащитного бетона и стекла до придания прочности дереву и стали при гораздо более низкой плотности и даже самоочищения нашего стекла и цемента - нанотехнологии помогают нам создавать более безопасные, чистые и эффективные мир.
Строительные материалы нанотехнологий
В качестве конкретного примера (простите за каламбур) нанотехнологий в действии возьмем диоксид титана (TiO2). Это белый пигмент, который долгое время использовался в бетонных и стеклянных покрытиях для различных целей, что квалифицирует его использование как нанотехнологию. TiO2 поглощает ультрафиолетовые лучи, сохраняя бетон чистым и белым. TiO2 также задерживает и расщепляет твердые частицы в воздухе, в том числе частицы, составляющие загрязнение, поэтому добавление его в асфальт означает, что сама дорога помогает очистить окружающую среду. TiO2 также используется в различных продуктах для дома, чтобы помочь сохранить стерильность вещей, потребляя бактерии. Его можно даже использовать для создания незапотевающего и самоочищающегося стекла благодаря наноэффекту, при котором поглощение УФ-излучения делает стекло привлекательным для воды: влага собирается, образует пленку и соскальзывает, удаляя грязь и оставляя после себя прочную, чистую поверхность..
Другие виды наночастиц - частицы, которые мы смешиваем с другими материалами или используем сами по себе, и размер которых меньше 200 нанометров по крайней мере в одном измерении, - включают самособирающиеся углеродные нанотрубки. структуры, которые используют уникальные кристаллизационные свойства углерода для формирования невероятно прочных материалов. Углеродные нанотрубки, впервые обнаруженные в России в 1952 году, а затем игнорировавшиеся до 1990-х годов, имеют в шесть раз меньше плотности стали, но могут быть прочнее от восьми до ста раз.
Еще более умные наночастицы
Другое подмножество наночастиц, называемых квантовыми точками, сочетает в себе крошечную квантовую силу нанотехнологий со способностью проводить электричество. Множество потенциальных применений для этих маленьких устройств почти невообразимо, но ранние приложения включают «умный заполнитель», своего рода дорожный бетон, который может фактически сообщать о том, где он ослабевает или ломается. Анализируя низкоуровневое электрическое поле конструкции, такой как дорога, в которую встроены эти крошечные элементы, вы можете получить данные о ее состоянии; это мало чем отличается от экрана старомодного калькулятора. Поскольку наночастицы естественным образом выравниваются друг с другом в зависимости от их химических и термодинамических свойств, ученые могут манипулировать этими свойствами для создания дорог или зданий из «умного» заполнителя, способного на самом деле восстанавливать себя.
Или есть нанокремнезем, искусственный силикат (SiO2, классический строительный материал), который при смешивании с бетоном использует квантовое притяжение между его частицами для увеличения прочности в три-шесть раз без увеличения плотности бетона. Это как сеть квантовой энергии, связывающая все воедино. SiO2 также является полезным ингредиентом или покрытием для стекла или бетона, которые нуждаются в огнестойкости: при нагревании он перестраивает свои частицы в гораздо более жесткую, огнестойкую структуру.
Будущее нанотехнологий и строительства
Поскольку многие частицы нанотехнологий естественным образом выстраиваются таким образом, что создается впечатление, будто они самособираются, и поскольку эти частицы состоят из тех же основных ингредиентов, что и материалы, которые они усиливают, эти, казалось бы, футуристические добавки могут снять большую часть трудозатрат и экологических издержек при создании промышленной продукции. Например, большое влияние производства бетона на окружающую среду связано с дроблением больших камней до точно отмеренных меньших размеров для различных работ. Но когда вы начинаете с крошечных частиц, которые увеличивают прочность, не добавляя плотности, вы теряете много энергии и времени, а это означает, что бетонные заводы могут выполнять свою работу более разумно и чисто.
И поскольку многие из этих материалов становятся более долговечными после того, как они появляются в мире, а некоторые даже помогают устранить ущерб от загрязнения, они способствуют устойчивости даже после того, как они проданы и использованы в строительных проектах. Поскольку квантовые эффекты многих из этих материалов были изучены и хорошо задокументированы, а также потому, что они безопасно использовались и улучшались с 1990-х годов, ученые могут более точно откалибровать наилучшее использование и смеси материалов, обработанных с помощью нанотехнологий, для гораздо более экологичный процесс строительства.
Но строительная отрасль, в конце концов, одна из древнейших профессий, и она работает с самыми вечными доступными материалами - камнем и деревом - с регулярным успехом. Очень мало строительной отрасли во всем мире занимается исследованиями и разработками в области нанотехнологий. Ведь строительство нужно везде, и они прекрасно справляются с начала человеческой цивилизации тем, что есть.
Как и в случае с любым экологически безопасным или изменяющим отрасль развитием, использование нанотехнологий - это медленная, но неуклонная гонка. Но со временем изменения, как правило, ускоряются, и с учетом стремления к более дешевым и экологичным глобальным строительным стратегиям велики шансы, что мы в конечном итоге увидим, что интеграция нанотехнологий в строительство значительно расширится в течение следующего десятилетия..
А пока не удивляйтесь, если при следующем посещении центра обустройства дома вы обнаружите, что некоторые из этих приложений используются в продуктах, с которыми, по вашему мнению, вы уже знакомы. Будущее не приходит в яркой коробке с надписью БУДУЩЕЕ. Он появляется после того, как его протестировали, спроектировали, переименовали и сделали похожим на мир, который мы уже знаем, но от этого он не становится менее захватывающим.
Примечание автора
Как человек с давним интересом к зеленому строительству и современной архитектуре, я был взволнован возможностью узнать больше об этих конкретных приложениях для нанотехнологий. Нанотехнологии предлагают нам так много всего, от биомедицины до транспорта, что разработка в любой области помогает внести свой вклад в науку в целом, а это означает, что она приносит пользу всем нам.