فناوری نانو در صنعت ساخت و ساز
نوشته : دانیال سلیانچی
کارشناس ارشد معماری
در ابتدای هزاره سوم میلادی، فناوری از جنس نانو، نوید انقلاب صنعتی دیگری را می دهد که از آن به عنوان موج چهارم انقلاب صنعتی یاد می شود. بسیاری از پژوهشگران بر این باورند که در آیندهای نه چندان دور همه اشیا بر مبنای مقیاس نانو ساخته شده و خواصشان در آن مقیاس شکل می گیرد و تولید همه اشیای دست ساز بشر دچار تحول خواهد شد. بنابراین تغییر و تحول مصالح ساختمانی و فناوری ساخت امری امکان پذیر به نظر می رسد و باید از هم اکنون تأثیرات آن بر معماری مورد بررسی قرار گیرد.
امروزه در بین فناوری های نوین ساختمان علمی نوین و بسیار کارآمد با عنوان نانو تکنولوژی مطرح می باشد که از مزایای مهم فناوری نانو می توان به کاربردهای بی شمار آن در صنعت ساختمان اشاره نمود.
نانو تکنولوژی توصیف همه جانبه فعالیت ها و تلاش هایی که با دست بردن در اساسی ترین فرم ماده (اتم ها) باعث می شود تا به خواص خارق العاده ای از ماده دست یابیم، چرا که اگر مواد به کوچکترین ابعادشان (اتم ها یا مولکول ها) شکسته شوند، می توانیم خصوصیات بنیادیشان را تغییر داده و به ماده ای تبدیل کنیم که در حالت عادی تهیه و تولید آن به هیچ عنوان امکان پذیر نیست. با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو ذرات در کلیه علوم و صنایع توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز ها شده است.
کاربرد فناوری نانو در معماری، گستره وسیعی از مصالح و تجهیزات را در بر می گیرد که هدف از آن، عینیت بخشیدن و عملی کردن نظریه هاست. عرصه هایی که فناوری نانو می تواند سبب بهبود شرایط ساخت و ساز شود را می توان چنین نام برد: بهینه سازی مصالح، پیشگیری از آسیب،کاهش وزن و حجم مصالح و عناصر ساختمانی، کاهش مراحل تولید، استفاده مفید و پر بازده از مصالح، کاهش نیاز به نگهداری و کم شدن هزینه نگهداری .نتیجه این بهبود شرایط عبارت خواهد بود از: کاهش مصرف مواد اولیه و انرژی و همچنین کاهش انتشار گاز دی اکسیدکربن، حفظ منابع طبیعی، اقتصادی پویاتر و در نتیجه آسایش بیشتر ، فناوری نانو به دلیل توانایی دگرگون کردن ویژگی های بنیادین مواد و حل مشکلات ساختاری، زمینه ساز ایجاد مصالحی جدید با ویژگی های نوین شده که افزون بر کارایی و بازدهی بیشتر عملکردی، از دوام بیشتری نیز برخوردارند. از همه مهم تر اغلب انگاره های مبتنی بر پایداری زیست محیطی، مصالح و سازه های هوشمند و مواد و مصالح چند عملکردی از رهگذر این فناوری نوین میسر می شود.
کاربرد فناوری نانو در معماری، به این نتیجه سیده اند که نانو مواد، گونه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا و چند منظوره است. منظور از عملکرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد؛ به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند. و خواسته ها و اهداف متقاضی محصول را تأمین نماید.
استفاده از فن آوری نانو جهت تهیه مصالح مناسب و با ویژگی های مورد نظر در بخش های مختلف ساختمان، برای کاهش مصرف انرژی به صورت مستقیم و غیر مستقیم نقش به سزایی خواهد داشت. امروزه با بهره گیری از این فن آوری میتوان مفهوم معماری هماهنگ و همساز با طبیعت را گسترش داد و همانند معماری سنتی ایران البته با تلفیق تکنولوژی روز راه حل ها ی منطقی و مناسبی جهت فراهم نمودن شرایط آسایش انسان، ابداع و ارایه نمود.
فناوری نانو چیست؟
نانو ریشه یونانی » نانس« به معنی کوتوله است. عبارت نانو، پیشوندی است مانند سایر پیشوندها که در ابتدای واحدهای سنجش میآیند. یک نانومتر (یک میلیاردم متر) است. بنابراین نانو نه یک ماده است نه یک جسم، بلکه فقط یک مقیاس است. نانو مواد به موادی گفته می شود که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس 1 تا 100 نانومتر باشد. کوچک شدن اندازه ذرات در حد نانومتر سبب تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی آنها میشود. بنابراین فناوری نانو به بحث درباره تغييرات خواص مواد هنگامي كه اندازه ذرات كوچك تر از 100 نانومتر است، مي پردازد. فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی و پدیدهای عظیم است که در تمامی گرایشات علمی راه یافته و از جمله فناوریهای نوینی است که با سرعت درحال توسعه میباشد. با کمک این فناوری ماهیت مواد و محصولات نوین در یک میلیاردیم آن چیزی که ما لمس می کنیم تغییر میکند که این تغییر سبب به وجود آمدن محصولاتی با کیفیت بسیار بالاتر از گذشته می گردد.
یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موی انسان است. بنیانگذار این فن آوری را ریچارد فینمن (فیزیک دان آمریکایی برنده جایزه نوبل) می دانند که ایده ساخت هر چیز با چیدن اتم ها کنار یکدیگر را مطرح نمود.این ایده خیلی وسوسه انگیز بود و امروزه در حال محقق شدن است. به طور کلی، در یک تقسیم بندی عمومی، محصولات نانو مواد را می توان به صورت های زیر بیان کرد: لایه های نازک که می تواند جامد و یا مایع باشد. لایه های جامد به صورت فیلم هایی با ضخامت نانو برای موارد الکترونیکی کاربرد دارد. لایه های مایع نیز به عنوان پوشش هایی برای محافظت اشیائ در برابر واکنش های ناشی از مجاورت با سایر مواد و یا قرار گیری در محیط زیست استفاده میشود. محصولات نانو به صورت پودر و یا الیاف بسیار نازک نیز به کار می رود. منظور از یک ماده نانو این است که ساختار آن و اندازه کریستال های تشکیل شونده و یا سازمان اتمی آن ها در کل بدنه در مقیاس نانو شکل گرفته باشد.
فن آوری نانو منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد. همچنین فن آوری های جدید، امکان باز یافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهد کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، میتواند به طور قابل ملاحظهای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ میدهد تاثیر بگذارد. این فن آوری میتواند در درمان مسایل زیست محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده ها، در توسعه فن آوری های «سبز» که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند، استفاده شود. لازم به ذکر است، فن آوری نانو توان حذف آلودگیهای کوچک از منابع آبی و هوا و اندازهگیری مداوم آلودگی در مناطق بزرگ را دارد.
مروري بر پیشینه فناوری نانو
در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خرد ناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي دهند. در حدود 400 سال پيش از ميلاد مسيح شخصي به نام دموكريتوس فيلسوف يوناني واژه اتم را كه به معني تقسيم نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد. بسياري وي را پدر فناوري و علوم نانو مي دانند. نقطه آغاز فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان شيشه گران قرون وسطا را اولين نانو تكنولوژيست ها دانست. آنان فناوري نانو از قالب هاي قديمي براي شكل دادن شيشه ها استفاده مي‌كردند، ولي شيشه گران دليل تغيير رنگ شيشه در اثر اضافه نمودن طلا را نمي دانستند. در آن زمان براي ساخت شيشه هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي کردند و با اين كار شيشه هاي رنگي بسيار جذابي به دست مي آمد.
کاربردهاي نانو فناوری
چنانچه پیشتر نیز اشاره شد نانو فناوری علی رغم نوظهور بودن پیش بینی می شود که زندگی جامعه بشری را دستخوش تغییرات نموده و به رویاهای آدمی جامه عمل بپوشاند. از همین روی این فناوری نوظهور در بسیاری از دانش ها و رشته های پرکار برد وارد شده و پژوهشگران به نتایج قابل توجهی دست یافته اند:
حفاظت از محيط زيست
· کاهش در مصرف مواد خام و انرژي، در نتیجه کاهش انتشار گاز CO2 و حفاظت از منابع
· توليد انرژي خورشيدي )سلولهاي فتوولتايي( و پيلهاي سوختي
صنايع دريايي
· ساخت شناورها با هدف
· ايجاد پوشش هاي مناسب در برابر خوردگی و افزايش استحكام
· ممانعت از حمل چندين تن سوخت و توقف هاي متعدد با توليد سوخت هاي جديد و باتری با ذخيره
· انرژي بسيار
نانو فناوري پزشكي
· توليد سيستم هاي هوشمند براي شناسايي بيماري ها و ترميم و بافت هاي زيستي آسيب ديده درسطوح ملكولي
· هدف گيري و ارسال دارو به نقاط غير قابل دسترس بدن با تجهيزات نانومتري
· توليد بافت هاي مصنوعي سازگار با بدن
· درمان برخي از بيماري هاي صعب العلاج مانند سرطان، ايدز و هپاتيت
· مراقبت بهداشتي بهتر با استفاده از تجهيزات نانومتري در داخل بدن
علوم کامپيوتر و الکترونيک
· ساخت ماشين هاي شبيه سازنده به کمک نانو کامپيوتر و نانو اسمبلر
· افزايش ميزان ذخيره سازي اطلاعات
· كاربرد بالقوه نانو لوله ها به عنوان قطعه هاي گسيلنده ميداني در نمايش دهندههاي صفحات تخت و ….
بيوتکنولوژي یا نانو بيوتكنولوژي
· ساخت سيستم هايي به منظور رهايش دارو در بدن
· ساخت قطعات سازگار براي جايگزيني اعضاي بدن
· تشخيص همزمان چندين بيماري از روي يك قطره خون ( بر اساس( DNA
· ساخت ابزارهاي نانومتري بر پايه DNA از جمله کاربردهاي نانو در بيوتکنولوژي
نانو فناوری در معماري و شهرسازي
کاربرد فناوري نانو در معماري را به دو گروه مي توان تقسيم کرد؛ گروه اول معماري بيونيک (کاربرد هندسه و ساختار کربني در معماري بناهاي گوناگون) و گروه دوم بهره گيري از مواد و مصالح ساخته شده با استفاده از مواد نانو است. در مورد معماري بيونيک مي توان به ريشه هاي آن توجه خاص براي بهره برداري مناسب داشت. حدود 3 ميليارد سال از آفرينش زمين مي گذرد و در اين مدت طبيعت خود، به عنوان معماري توانا و خالق مطرح شده است. به عنوان مثال گياهان و جانوران توانسته اند با تزئينات و طراحي هاي لازم بر مشکلات محيط زيست خود فائق آيند و انسان نيز در طول زندگي خود، هميشه سعي داشته براي ساخت و طراحي مکانها و وسايل مورد نياز خود از طبيعت و محيط زيست اطراف خود ً الهام بگيرد. معماري نيز از اين روند مستثنا نبوده و بارها از ساختارها و اشکال طبيعي و طبيعت الهام گرفته اند که اخيرا اين روند به جاي الگو برداري و تأثيرپذيري مستقيم از طبيعت بيشتر در منطق دروني و مورفولوژي پروسه هاي طبيعي يا همان ياخته هاي سازنده ساختاري ديده مي شود و به بهترين شکل ممکن از قوانين سازهاي آن نظير انعطاف پذيري و مقاومت پيروي مي کند. از دريچه چنين نگرشي جنبش معماري بيونيک شکل چهار ضلعي و منتظم ساختمان هاي سنتي را براي پديد آوردن ساختمان هاي بيولوژيکي و جهان طبيعي نفي مي کند.
کاربرد فن آوری نانو در زمینه انرژی و ساختمان
فن آوری نانو ، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر می شود. از همین تعریف ساده بر میآید که فن آوری نانو یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. با توجه به مصرف بی رویه انرژی های تجدید ناپذیر و آسیب های زیست محیطی، وضعیت انرژی جهان در مرحله بحرانی قرار دارد که چاره اندیشی در این زمینه راهگشایی برای بقا و حفظ محیط برای نسل آینده خواهد بود. کاربرد فن آوری نانو در تحول سایر فن آوری ها، تاثیر به سزایی بر سلامت و آسایش مردم دارد. امروزه کشورهای مختلف با بهره گیری از فن آوری نانو و تلفیق آن با سایر تخصص ها به دستاوردهایی رسیده اند که از آن جمله میتوان به هزینه های تولید و نگه داری کمتر، مصرف انرژی پایین و طول عمر بیشتر اشاره کرد. فن آوری نانو معیارها و استانداردهایی را به وجود می آورد که کشورهایی که در تولید محصولات آن تاخیر داشته باشند نمی توانند جایگاهی مناسب در علم و آینده داشته باشند.
محققان فن آوری نانو از جمله پروفسور نیت لوئیس استاد موسسه فن آوری کالیفرنیا در حال بررسی مواد نانو مقیاسی هستند، که از معماری چمن و فتو سنتز صورت گرفته در آن برای گرفتن و ذخیره سازی انرژی از خورشید تقلید می کنند. این دانشمند و همکارانش توانسته اند در یک تیم تحقیقاتی نانو ذرات کوچک را در محصولات روزمره ساده و ارزانی همچون رنگ خانه و سفال سقف وارد نموده و نحوه تولید انرژی خورشیدی را متحول سازند. محققان عقیده دارند: مقدار انرژی که در یک ساعت از خورشید به زمین می رسد بیش از کل انرژی است که بشر در طی یک سال مصرف می کند.
نانوتکنولوژی و معماری پایدار
برخی اصولی که باید رعایت شوند تا یک بنابه عنوان طراحی و معماری پایدار تلقی شود، عبارتند از :افزایش دوام و عمر مفید ساختمان، صرفه جویی در مصرف انرژی و مصالح، عدم تخریب محیط زیست، حفاظت از منابع طبیعی و ساختمانی و غیره می باشد . از طرفی، حرفه معماری و صنعت ساخت و ساز با گستره عظیمی از مواد و مصالح روبرو است .در واقع مصالح هسته ساختمان را تشکیل می دهند و تاثیر آن ها بر محیط زیست را نمی توان نادیده گرفت. از دستاوردهای نانو در این زمینه می توان به مصالحی اشاره کرد که باعث کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر بنا می شوند. به طور کلی فناوری نانو با کارآمد کردن ابزار و مواد مورد استفاده در بخش های مختلف و نیز با کاهش مصرف ماده خام و انرژی امکان انجام اقدامات موثر در جهت حفاظت از منابع طبیعی و محیط زیست را فراهم آورده است، تمامی این موارد گامی موثر در راستای تحقق طراحی پایدار به شمار می آیند.
نانو تکنولوژی و پایداری زیست محیطی
پایداری زیست محیطی را این چنین تعریف کرده اند :” بهره گیری و بهره برداری از منابع طبیعی، به قسمی که نیاز کنونی جهان به انرژی برآورده شود و تأمین نیاز های نسل های بعدی به خطر نیفتد .” نه تنها استفاده موثر از منابع انرژی، بلکه بالا بردن عمر دوره مفید مواد و مصالح ساختمانی، از معیارهای مهم در جهت حفظ پایداری زیست محیطی است. بهره برداری مناسب از منابع انرژی و در عین حال، حفظ و صیانت از این منابع، همواره مورد توجه بسیاری از مهندسان محیط زیست و ساختمان بوده است. هنوز هم بخش اعظم انرژی مورد نیاز دنیا، برپایه زغال سنگ و نفت استوار است. دو منبع انرژی که بیشترین میزان انتشار گازهای گلخانه ای را سبب می شوند. البته چند دهه است که منابع جایگزینی همچون انرژی باد، انرژی خورشیدی، انرژی زیست توده، انرژی هسته ای، انرژی زمین گرمایی و انرژی امواج اقیانوسی مطرح شده اند اما تا به امروز نتوانسته اند به جانشینی تمام و کمال برای منابع سنتی تبدیل شده و سوخت های فسیلی را از چرخه تولید انرژی بیرون برانند.
کاربرد نانو فن آوری در ساختمان های سبز
رابطه انسان با جهان طبیعی به دلیل رخ دادن طیف وسیعی از بحران های محیطی در رده مقوله های خاص و گاه آزار دهنده در آمده است. در سطح وسیع، موضوع توسعه پایدار و استفاده ازفن آوری نانو در راس برنامه اکثر کشورها قرار گرفته است. در ساختمان های سبز همگرایی بین فن آوری نانو و حساسیت محیطی وجود دارد. امروزه پژوهشگران به این نتیجه رسیده اند که ” فن آوری نانو برای ساختمان های سبز است” استفاده از فن آوری نانو در بخش های مختلف ساختمان بایستی در هنگام طراحی و اجرا توسط معماران و مهندسان مد نظر قرار گیرد.
کاربرد نانو فن آوری در پاک سازی هوای فضاهای مسکونی
هوای داخل خانه ها و ساختمان ها می تواند بسیار بیشتر از هوای بیرون ساختمان ها آلوده باشد و از آنجا که مردم اکثر زمان خود را درون فضاها به سر می برند، احتمال به خطر افتادن سلامت افراد در هوای آلوده داخل ساختمان ها بیشتر از بیرون است. آلودگی هوای داخل ساختمان ها خطری است که باید چارهای برای آن اندیشید. امروزه با ساخت دستگاهی این مشکل حل شده است و در این دستگاه با استفاده از نوعی نانو ذره های فوتوکاتالیستی به نام نانو بریز(Breeze Nano) ، پاکسازی و تصفیۀ هوای درون اتاق ها انجام می گیرد. این دستگاه گازهای مضر ناشی از سوخت یا دود توتون، ذرات آلرژیزا، بوی کپک زدگی یا ماندگی و دود پلاستیکها، رنگها، عطرها و تمیز کننده ها را تجزیه میکند. این محصول مواد شیمیایی آلی فرار(VOCs) و آئروسلهای زیستی (HEPTA) را اکسید می کند. غلظت این مواد شیمیایی آلی فرار در داخل خانه ها می تواند تا ده مرتبه بیشتر از بیرون خانه باشد.
چشم انداز نانو فناوری در معماري
با توجه به مطالبي که پيشتر بدان ها اشاره شد حال اين سوال مطرح می شود که معماري چگونه مي تواند با علم و فناوري نوظهوري همچون نانو در آميزد و پيشرفت کند؟ جان. ام. جوهانسن فردی است که در کتاب خود تحت عنوان » معماري نانو، گونه اي جديد از معماري« به طور کامل به این مبحث مي پردازد. او بر اين باور است که بهره گيري از نانو آينده معماري را دگرگون خواهد ساخت و آن را در مسير ويژهاي هدايت خواهد نمود. به عبارت ديگر معماري نانو اين امکان را به طراحان ميدهد که تعاملات بهتر و نزديکتري با کاربران برقرار کنند در حقيقت اين نوع معماري بر مبناي طبيعت و قرابت با آن شکل يافته است. همچنين در صورت بهره گيري از اين نوع معماري علاوه بر آنکه از فناوری پيشرفته مي توان بهره برد اين نوع معماري، طراحي مأنوس تر و همگون تري با انسان و نيازهاي انساني ارائه خواهد نمود. از سوي ديگر طراحي مصالح با ويژگيهاي مورد نظر و مطابق با نيازهاي پروژه و مخاطب از ديگر مزيت هايي است که براي آينده نانو و معماري پيشبيني مي شود. بايد به خاطر داشت که بهره گيري از فناوري نانو سبب بروز خواص ويژهاي در مواد و مصالح خواهد بود و آنها به گونه اي شگفت انگيز تغيير مي دهد؛ به عنوان مثال خاصيت خود ترميمي و يا بازگشت به محيط از جمله ويژگي هايي هستند که بايد بدان اشاره نمود.
