Умные материалы, наноматериалы

Материалы активные и умные

Строительная индустрия – один из столпов современной цивилизации. В 2007 году, последнем перед мощным финансовым кризисом, сфера строительства в Европе имела валовый годовой оборот 350 млрд евро и представляла рабочие места каждому десятому трудоспособному гражданину. Ежегодно в мире производится порядка 1 м3 бетона на одного жителя планеты Земля. Естественно предположить, что даже небольшие изменения, например, появление новых материалов, в столь массивной отрасли хозяйства породят ощутимые эффекты для всемирной экономики.

НаноБетон

Оксид кремния (SiO2 ) – это часть стандартной бетонной смеси. Исследования наноструктуры материала показали, что использование наночастиц оксида кремния приводит к существенным изменениям в упаковке вещества – значительному уплотнению бетона и соответственному улучшению его механических свойств (повышению прочности на сжатие в 3–6 раз). Кроме того, модификация материала наночастицами оксида кремния стабилизирует важнейшие валентные взаимодействия Ca – Si – H, ответственные за связность бетона, уменьшая вымывание кальция и увеличивая его влагоустойчивость.

Другое соединение, активно используемое как добавка к бетонным смесям, – диоксид титана (TiO2). Наночастицы диоксида титана уже получили весьма широкое распространение в современной промышленности – из-за высоких отражающих свойств материала, особенно в ультрафиолетовом спектре, их используют в солнцезащитных кремах, а способность расщеплять различные органические соединения, в том числе летучие, делает такие частицы важной добавкой к бетону, оконному стеклу и лакокрасочным покрытиям, уменьшающей уровень загрязнителей воздуха в здании и вокруг него.

Кроме того, диоксид титана обладает ярко выраженной гидрофильностью, что придает содержащим его материалам способность к самоочистке – капельки воды конденсируются на поверхности и, стекая, увлекают за собой частицы грязи. На сегодняшний день уже налажен широкий выпуск белого бетона с добавкой диоксида титана, обеспечивающего зданиям более эстетичный вид.

Исследователи уделяют также много внимания взаимодействию бетона с углеродными нанотрубками. Добавка небольшого количества (~ 1 вес. %) окисленных многослойных углеродных нанотрубок к традиционным маркам, например портландцементу, приводит к значительному улучшению прочности материала на сжатие (+ 25 Н/мм2) и изгибной прочности (+ 8 Н/мм2).

Однако применение углеродных нанотрубок в качестве наполнителя того или иного материала имеет один важный недостаток: нанотрубки «любят» слипаться за счет взаимодействия графеновых листов, образуя крупные кластеры, что приводит в итоге к потере когезии с материалом-носителем. Поэтому для достижения высоких характеристик композиционного материала необходимо проводить дополнительные процедуры с целью разделения и однородной дисперсии нанотрубок. Один из обнаруженных на сегодня способов – предварительное смешивание углеродных нанотрубок с гуммиарабиком, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы подобрать оптимальный состав такого композита.

Углеродные нанотрубки обладают целым набором уникальных свойств; возможно, в самом ближайшем будущем их будут широко применять при создании вычислительной техники, в авиастроении, в различных биомедицинских приложениях. С одной стороны, высокая популярность нанотрубок делает их одним из наиболее изучаемых материалов, и строительная индустрия может косвенно выиграть от открытий, сделанных в других областях, а с другой – значительный спрос определяет высокую цену на нанотрубки, ограничивая экономический эффект их применения.

Интересную работу проводят ученые из Горно-технологической школы Южной Дакоты, разрабатывающие биогерметик бетона на основе карбоната кальция, произведенного генетически модифицированными почвенными бактериями. Полученный материал будут использовать в качестве уплотнителя, препятствующего также зарождению и распространению трещин. Предварительные результаты показывают, что существует прямая зависимость между прочностью модифицированного бетона и концентрацией выращенных микроорганизмов в нем.

Это исследование имеет и важную экологическую составляющую – увеличение времени жизни снижает общее количество используемого материала, снижая тем самым нагрузку на природные ресурсы планеты в его производстве. Сейчас уже можно говорить о целом направлении в современном материаловедении – создании самозалечивающихся материалов. Так, в Университете Иллинойса, США, создан ряд полимерных композиционных материалов, содержащих нанокапсулы, раскрывающиеся на границе трещины и останавливающие ее развитие.

Следует также упомянуть самокомпактирующийся бетон, не требующий вибрационного воздействия для консолидации состава. Его использование значительно уменьшает энергетические и трудовые расходы. Исходный материал, содержащий высокодисперсные наночастицы поликарбоксилата, ведет себя как густая жидкость при небольшом соотношении цемент-вода.

При высыхании набухающие частицы пластификатора препятствуют образованию пустот и трещин. Самокомпактирующийся бетон обладает еще одним важным преимуществом. Обычный пластифицированный бетон медленно схватывается в зимнее время, что приводит к необходимости дополнительной парообработки конструкций. Наночастицы поликарбоксилата значительно уменьшают количество используемой воды и время засыхания материала, делая необязательной стадию парообработки.

Отметим, наконец, технику нанесения волокнистых покрытий на поверхность формируемых бетонных структур, включающую в себя использование волокнистого углеродного композита с наночастицами оксида кремния. Наночастицы заполняют трещинки на поверхности засыхающего бетона и связывают прочно его с материалом-усилителем. Волокна углерода играют важную роль в замедлении трещино-образования, увеличении времени жизни бетонных структур во влажных условиях и устойчивости к царапинам.

Производство химических добавок постепенно выделяется в самостоятельную отрасль промышленности строительных материалов. И в настоящее время в России количество модифицированных бетонов составляет 60–70 % от общего выпуска. Однако по этому показателю мы заметно отстаем от большинства развитых стран, где он достигает 85–95 %.

Наноматериалы и стали

Усталость материала – одна из основных причин разрушения стальных конструкций, подверженных циклическим нагрузкам (мосты, башни и т.п.). Даже напряжения намного меньшие, чем пороги разрушения, могут приводить при периодическом повторении к уменьшению времени жизни изделия. Современная философия строительства включает в себя три основных превентивных стратегии: резкое уменьшение допустимой нагрузки на конструкцию; значительное сокращение допустимого периода ее эксплуатации; регулярный мониторинг состояния. Все три подхода оказывают значительное влияние на стоимость строительства и эксплуатации конструкции.

Цементную плитку покрывают краской на основе нанокомпозита, что делает ее стойкой к непогоде
Исследования показали, что добавка к стали небольших наночастиц меди сглаживает неоднородность поверхности стали, уменьшая таким образом количество точек, в которых концентрируются напряжения. Дальнейшая разработка таких композиционных материалов позволит существенно увеличить безопасность металлических конструкций при одновременной экономии средств мониторинга их состояния.

Высотные конструкции требуют создания высокопрочных соединений, что предъявляет особые требования к используемым в таких соединениях болтам. Обычно их производят закаливанием стали и ее последующим отпуском. Когда сдвиговой модуль упругости мартенситной стали превышает 1200 МПа, даже очень малые количества водорода, попадающего на межзеренные границы, существенно охрупчают материал. Этот процесс, известный как отложенное разрушение, ограничивает сдвиговой модуль упругости используемых болтов в диапазоне 1000–1200 МПа. При добавке наночастиц ванадия или молибдена, связывающих атомы водорода и улучшающих микроструктуру материала замещением межзеренной цементитной фазы, порог отложенного разрушения стальных изделий значительно повышается.

Сварные швы и прилежащие к ним области часто охрупчаются и могут разрушиться при резкой динамической нагрузке, поэтому прочность сварных швов имеет большое значение для создания надежных металлических конструкций, особенно в сейсмоопасных зонах планеты. Последствия землетрясения в Лос-Анджелесе в 1994 году заставили ученых и конструкторов переосмыслить значение зон сварки.

Современные стратегии дизайна металлических конструкций включают в себя сознательное ослабление определенных зон с целью переноса областей повышенного напряжения как можно дальше от зон сваривания. Однако последние исследования показывают, что небольшие добавки наночастиц магния или кальция в пять раз уменьшают размер зерен в сварных швах, увеличивая существенно их прочность.

Самокомпактирующемуся бетону не нужна вибрация, он густеет благодаря наночастицам поликарбоксилата
Отметим, что перечисленные выше возможности применения наночастиц можно рассматривать не только с точки зрения безопасности, но и с точки зрения экологии: продление жизни конструкций поможет снизить нагрузки на природу, связанные с добычей и транспортировкой руды, производством стали.

Наноматериалы и древесина

В одном из древнейших конструкционных материалов, дереве, природа использовала природные нанотрубки и нанофибриллы, роль которых выполняют лигноцеллюлозные элементы. Их прочность превышает прочность стали как минимум в два раза. Направленное использование лигноцеллюлозных нанофибрилл может стать новой парадигмой в строительстве, поскольку в производстве таких конструкций будут использованы только возобновляемые ресурсы.

В настоящее время в ряде университетов США и Европы проводятся исследования с целью модификации поверхности лигноцеллюлозных волокон, что позволит использовать их в качестве самостерилизующихся, самозаживляемых элементов, в том числе электронных лигноцеллюлозных приборов: как активных, так и пассивных сенсоров, осуществляющих мониторинг структурных нагрузок, температуры, влажности, теплового режима работы приборов. Однако создание лигноцеллюлозной техники – вопрос более отдаленного будущего по сравнению с другими перечисленными возможностями.

Наноматериалы и стекло

Если покрыть стекло тонкой пленкой, содержащей наночастицы диоксида титана, то его можно использовать не только для пассивного частичного пропускания энергии света, но и для расщепления органических загрязнителей воздуха в помещении.

Противопожарные стекла – другой пример использования нанотехнологий в строительстве. Они представляют собой прозрачный слой нанопористого оксида кремния, заключенный между слоями обычного стекла. При пожаре нанопена затвердевает и мутнеет, позволяя стеклу выдерживать гораздо большие тепловые нагрузки и одновременно становясь надежным барьером для теплового потока.

В настоящее время значительное внимание исследователей и конструкторов сосредоточено на создании «умных» стекол, способных контролировать потоки света и тепла внутрь здания. Можно выделить четыре основных подхода к использованию нанотехнологий для решения этой задачи:

- Нанесение спектрально чувствительных тонкопленочных покрытий, не пропускающих инфракрасные световые волны.

- Активные термохромные покрытия, реагирующие на изменение температуры и способные термоизолировать помещение, обеспечивая одновременно приемлемый уровень освещенности.

- Фотохромные покрытия, изменяющие коэффициент пропускания стекла в зависимости от его освещенности.

- Электрохромные покрытия на основе оксида вольфрама, реагирующие изменением прозрачности на изменение приложенного напряжения (становящиеся непрозрачными при прикосновении).

Настоящее и будущее наноматериалов в строительстве

Строительная индустрия, представляющая гигантское поле деятельности с точки зрения применения нанотехнологий, весьма раздроблена: 97 % строительных фирм в Европе насчитывает персонал не более 20 человек. Именно этот фактор ограничивает финансирование направленной научно-исследовательской работы, которая концентрируется на решении конкретных задач из области создания тех или иных конструкций или конструкционных материалов. На сегодняшний день развитие строительного материаловедения определяется во многом успехами в исследованиях смежных дисциплин (например, автомобиле- и авиастроение).

Небольшими размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм – сравнительно медленное внедрение новых материалов, связанное с неспособностью к крупным инновационным капиталовложениям. Однако даже небольшие изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и технологий оборачиваются чрезвычайно большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий.

Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше – на 10–15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети.

А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять самомониторинг – нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудо-дней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью.
 

Максим Щербина

Журнал "Российские нанотехнологии" № 1-2 2010 год.