Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве часть 2

Наночастицы часто служат уникальными «кирпичиками» или «наполнителями» полимерных материалов, обусловливая их принципиально новые свойства. В рамках большого европейского проекта в 2010 году в Греции будет построен первый коттедж, который сможет противостоять разрушению от землетрясения умеренной силы за счёт достижений нанотехнологий. Полимерные наночастицы, входящие в состав композиционных материалов, при сдвиговых воздействиях превращаются в жидкость, способную проникать в трещины, а затем стабилизировать несущие конструкции дома после повреждений, снизив риск серьёзных разрушений.

Широкое применение достижения нанотехнологий находят в стеклах. Так, например, поливинилбутиратная пленка с наночастицами из гексаборида лантана LaB6, помещенная между двумя слоями обычного оконного стекла, служит прекрасным фильтром для инфракрасного излучения. Аналогичные термохромные технологии могут широко использоваться для контроля температуры в помещении, обеспечивая одновременно необходимое освещение. Уже описанный выше нано-ди-оксид титана используется в стеклах для их самоочищения и против запотевания. Создание сэндвичей из стекла с нано-диоксидом кремния резко повышает их огнестойкость. Покрытие из нано-диоксида кремния может служить как вспучивающаяся прозрачная огнестойкая краска. И, наконец, электрохромные слои наноокислов вольфрама на поверхности стекла могут взять под контроль общий расход электроэнергии в помещении, имея в виду что застекление составляет весьма существенную его долю.

Наиболее показательный пример широкого промышленного использования нанотехнологий в строительстве – стальная арматура и конструкционные стали с измененной наноструктурой. Здесь прекрасно зарекомендовали себя два подхода, различающихся выбором нанотехнологии модифицирования.

Первый представлен сталью Сэндвик Нонофлекс, производимой Sandvik Materials Technology АВ (Швеция), в которой проблемы взаимоу-вязки высокой прочности и релаксации решены за счет распределения в стальной матрице очень твердых наночастиц.

Примером другого рода служит арматура, выпускаемая MMFX Steel Corp., США. Эта сталь подобна нержавеющей стали, но на-

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2 много дешевле. По сравнению с обычной углеродистой сталью, сталь MMFX имеет в наношкале слоистую «реечную» структуру, из-за чего резко возрастают и механические свойства, например, прочность, податливость и сопротивление усталости по сравнению с другими известными высокопрочными сталями. Эти свойства материала приводят к значительно более длительным срокам службы в коррозионных средах и понижают интегральную стоимость строительства.

Нанослой аустенита в свободной от карбида «рейке» мартенсита, ТЭМ, MMFX Steel Corp., США

Наномодифицирование частицами ванадия и молибдена резко снижает риск водородного растрескивания сталей с прочностью свыше 1200 МПа. Это особенно важно при значительном увеличении объемов применения таких сталей в высотном строительстве и при возведении уникальных объектов. Так, именно разрушение пальца в звене якорной цепи цепных оттяжек опоры Крытого конькобежного центра в Крылатском из-за водородного растрескивания при нагрузке около 30% расчетной чуть не стало причиной обрушения сооружения.

Большие перспективы просматриваются и для применения нанотехнологий в деревянных конструкциях, возможности которых далеко не исчерпаны. Самоочищение и самостерилизация, «внутреннее само-залечивание», контроль влагосодержания, наличия грибов и плесени – вот неполный перечень интенсивно развивающихся междисциплинарных исследований. Уже сегодня концерн BASF (Германия), выпускает мощные водооталкивающие составы, воспроизводящие эффект «листа лотоса» и основанные на применении наночастиц диоксида кремния, оксида алюминия и гидрофобных полимеров.

Современное состояние материаловедения, развитие физики и технологии наноструктур потребовало разработки новых диагностических методов, а также новых образцов оборудования для анализа свойств и

^^^^^^^M 12 к содержанию

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2

процессов в низкоразмерных системах, в наноматериалах и искусственно создаваемых наноструктурах. С этой точки зрения, одним из наиболее перспективных методов практической диагностики и характеризации наноструктур стала сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), и, прежде всего, атомно-силовая микроскопия (АСМ), обеспечивающая получение наиболее полной информации об основных физических, физико-химических и геометрических параметрах наноструктур и протекающих в них процессах.

Принцип работы АСМ основан на регистрации межатомных взаимодействий между острием исследующего зонда (кантилевера) и исследуемой поверхностью. Преимущества зондовой микроскопии перед традиционными методами исследования поверхности и ее свойств сложно переоценить. Это, прежде всего, высокое разрешение , вплоть до атомного ( Δ ~ 0,01нм), в сочетании с локальностью исследований, низкие энергии взаимодействия с исследуемым объектом (в сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) средняя энергия электронов – порядка миллиэлектронвольт, а в АСМ силы взаимодействия обычно порядка долей наноньютона), что делает методы СЗМ неразрушающими. Исследования методами СЗМ могут проводиться практически в любых средах in situ : от сверхвысокого вакуума до жидких растворов (в отличии от всех методов исследования поверхности, которым необходима среда высокого вакуума). Для метода АСМ не критична электропроводность исследуемой поверхности. Это позволяет исследовать объекты любой проводимости, что также обеспечивает его преимущество перед электронной микроскопией и другими методами электронного анализа поверхности. И, наконец, пожалуй, самым большим преимуществом СЗМ перед существующими методами является комплексность исследования. Наряду с данными о рельефе поверхности регистрируется большое число параметров, характеризующих её различные физико-химические свойства (жесткость, упругость, вязкость, механические напряжения, адгезионные силы, химические взаимодействия, электрические поля, магнитные свойства и др.). Карты этих свойств можно сопоставлять с рельефом и таким образом идентифицировать составляющие исследуемой поверхности и объектов, расположенных на ней.

Жесткие условия, необходимые для обеспечения работы любого высокоточного оборудования, ставят сложные задачи перед проектировщиками и конструкторами. Требования к рабочей среде могут включать контроль температуры и влажности, чистоту воздуха, защиту от

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2 биологического риска, ограничения на электромагнитные поля, особые электроэнергетические условия, а также (и, прежде всего) контроль вибрации и шума. Большинство из этих аспектов проектирования проявились уже давно – из особых требований, с которыми столкнулись специалисты при работе с малыми объектами. Только очень малое количество из эксплуатируемых зданий отвечает этим требованиям, в основном, необходимо новое строительство.

Принципы же нанотехнологий предопределяют манипуляции, при которых приборы фиксируют образец с точностью до нескольких нм, измеряют величины (такие, как сила – в nN) и «собирают» объекты толщиной в несколько молекул и площадью в несколько нм2. Таким образом, при работе в наношкале изменения комнатной температуры должны быть настолько небольшими, чтобы объект не изменился в размерах больше, чем на несколько нм, иначе система контроля образца неправильно его локализует. Электромагнитные поля внутри здания должны быть максимально стабильны, чтобы электрические сигналы можно было измерить в таких единицах, как nA и nV. Некоторым помещениям необходима акустика, сравнимая с акустикой звукозаписывающей студии. Размеры крошечных частиц, находящихся в воздухе, могут равняться тысячам нм, поэтому контроль уровня загрязнения среды – как частицами, так и химическими веществами – должен находиться в крайне жестких пределах. Во всех случаях, вибрации должны быть на два–три порядка меньше порога человеческого восприятия.

Все эти требования предопределяют принципиально новые требования к проектированию зданий и к материалам, применяемым для их возведения, принципиально на новом уровне, который отличается от общепринятого в сотни раз. К началу 2003 года по всему миру строилось или было построено только несколько специальных зданий для эксплуатации высокоточного оборудования для нанотехнологий. Среди них здания в Корнелльском и Северо-западном университетах (США), в Университетском колледже в Лондоне (Великобритания), большое «чистое» помещение в Национальной лаборатории развития нанотехнологий (Тайвань) и значительно меньшее сооружение в Военно-морской научно-исследовательской лаборатории в Вашингтоне (округ Колумбия). Национальный институт стандартов и технологий (NIST) завершил недавно строительство в Гейтерсберге (США) корпуса нанотехнологий с лабораторией измерений. По мнению проектировщиков, в настоящее время он представляет собой здание с наиболее контролируемой вну-

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2

тренней средой. Колебания температуры воздуха в нем не превышают ±0,01оС, а уровень вибраций не выходит за пределы 2,5 мкм/сек. Электропроводка имеет особую изоляцию, предотвращающую воздействие электрических токов на проводимые эксперименты с точностью до nА и nВ, т.е. в здании практически отсутствует электромагнитное загрязнение среды. Стоимость этих уникальных объектов колебалась от 12 до $175 млн США.

Такие капиталовложения кажутся высокими. Однако не следует забывать, только одно действующее производство в промышленности полупроводников может стоить порядка $700 млн США и занимать от 10000 до 15000 м2 «чистых» помещений.

Принципиально технические решения при строительстве зданий «хай-тек» базируются на выборе вибрационно-спокойных зон застройки, применении системы массивных многослойных плит в основании с так называемой «килевидной» формой, а также использовании специальных строительных материалов.

Бетон наиболее часто выбирают в качестве конструкционного материала для строительства этих объектов. Способность бетона гасить колебания изучали еще с 30-х годов прошлого века, ориентируясь, прежде всего, на выявление микроструктурных механизмов. Сегодня в Калифорнийском университете (США) в сферу детальной проработки включены специальные химические добавки, различные виды заполнителей и арматуры. Это позволило повысить указанные характеристики бетона на 10%. Так, только применение специальных бутадиенстирольных латексов увеличивает способность бетона к гашению колебаний на 1,0– 2,5%, что десятикратно улучшает резонансные характеристики.

Другой путь – направленное увеличение количества микротрещин при повышенных водоцементных отношениях и разработка «слоистых» структур, весьма популярных в области космических технологий. Реальное применение этих приемов на практике может позволить не только изменить величину затухания, но и «отобрать» колебания с конкретной амплитудой и частотой.

Выше приведены только некоторые примеры и общие принципы развития нанотехнологий в строительстве. В ближайшем будущем следует ожидать их проявление в производстве высококачественных ультра- и нанодисперсных порошков со стабильным химическим, фазовым и гранулометрическим составом, в разработке новых видов армирующих элементов (нитевидных кристаллов, волокон, микросфер, дисперсных

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2 частиц), в создании новых бездефектных особо высокопрочных реактивных порошковых бетонов, термостойких композиционных материалов, материалов с различной электропроводимостью, наносистем для вредных производств и ядерной энергетики, в развитии научных основ проектирования специализированного технологического оборудования с автоматизированными системами контроля качества цементных композитов.

Механохимия и нанокатализ должны изменить лицо современной цементной индустрии за счет значительного снижения температуры клинкерообразования и даже, возможно, реализации «холодного обжига» клинкерных минералов в механохимических реакторах. Можно ожидать разработку новых «эко-вяжущих», модифицированных наночастицами и производимых с существенным уменьшением содержания клинкерных компонентов, или альтернативных вяжущих систем нового поколения, основанных на оксиде магния, фосфатах, геополимерах, гипсах и т.д. Фундаментальные исследования помогут создать вяжущие с усиленными/нанозаданными внутренними связями между продуктами гидратации.

Не за горами появление материалов с контролируемой электропроводностью, деформативными характеристиками и низким термическим расширением, «умных» материалов, например, датчиков для мониторинга температуры, влажности, напряжений.

Специальный опрос, проведенный в рамках работы ТС 197-NCM РИЛЕМ среди большой группы специалистов (работников университетов, сотрудников научно-исследовательских центров, промышленников), позволил определить главные на ближайшую перспективу приоритеты.

При анализе результатов опроса интересно отметить, что различные группы специалистов по-разному оценивают эти приоритеты (по условиям опроса можно было дать несколько различных соображений), и мнения ученых и промышленников далеко не всегда совпадают. Однако в одном они едины – в своих прогнозах все опрошенные говорят о значительном грядущем улучшении качества жизни благодаря ожидаемым прорывным достижениям на атомно-молекулярном уровне.

Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет надеяться, что уже в наступившем десятилетии многие задачи, на сегодня представляющиеся фантастическими, будут успешно решены.

Свидетельством этому являются большие национальные проекты по развитию наноматериалов и нанотехнологий в строительстве, реали-

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2

Рейтинг областей применения нанотехнологий в строительстве

Наименование областей исследований и применения нанотехнологий % респондентов исследователи промышленники Понимание явлений на наношкале (например, гидратация) 82 58 Наночастицы, фибры, добавки 80 37 Материалы с модифицированной наноструктурой (например, сталь, цемент, композиты) 73 26 Новые функциональные и конструкционные материалы 61 26 Оценка поверхностных и межфазных взаимодействий, инжиниринг 55 21 Специальные покрытия, краски и тонкие пленки 45 21 Интегрированный структурный мониторинг и диагностические системы 39 11 Самовосстанавливающиеся и «интеллектуальные» материалы 31 11 Новые термические и изоляционные материалы 20 11 «Интеллектуальные» строительные инструменты, контрольное оборудование и системы 22 11 Энергетика для строительства – новые топливные ячейки и солнечные батареи 24 0 Биоимитирующие и гибридные материалы 20 0 зуемые в Европейском сообществе, США, Канаде, Австралии, Японии, Китае и ряде других стран, в т.ч. и России.

Представляется, что в связи с подготовленной Федеральной целевой программой Российской Федерации «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2007–2010 годы» аналогичный детальный анализ и долгосрочный прогноз развития исследований и применения наноматериалов и нанотехнологий в строительстве должен быть выполнен в рамках деятельности Координационного совета по наноматериалам и нанотехнологиям в увязке и тесной связи с существующими международными проектами.

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2

Это позволит определить краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные перспективы, а также наметить конкретные пути широкого использования последних достижений для повышения качества строительства, обеспечения долговечности и надежности зданий и сооружений, охраны окружающей среды и снижения общих издержек.

Сегодня государство намерено в среднесрочной перспективе инвестировать в развитие нанотехнологий около $10 млрд, из которых более половины приходится на долю созданной корпорации «Роснано». Однако пока не удается выстроить целостный экономический механизм, связывающий науку, промышленность и образование. Попытки создания отдельных элементов инновационной системы (государственных фондов поддержки научных исследований и инноваций, технопарков, венчурных фондов, особых экономических зон и т.п.) вне связи с основными участниками инновационной деятельности и вне реально работающей «рыночной экономики» большого результата пока не принесли. По свидетельству зарубежных участников первого Международного форума по нанотехнологиям, проходившего в Москве в конце прошлого года, «…нанотехнологии в России хорошо развиваются… в теории. Продуктов и технологий мало, а научных докладов, не имеющих практических результатов, много».

Главный на сегодня вопрос – будет ли государственная инициатива в России поддержана частным бизнесом? Это во многом зависит от «восприимчивости среды». Для нанотехнологий такой почвой, как правило, являются инженерные площадки и мелкие технологические фирмы. Первые в России почти исчезли еще в 90-е годы, а вторые развиваются с колоссальным трудом. Поэтому абсолютно понятно, что система исследований в нашей стране нуждается не только в стимулах, но и в определенных реформах.

Вторая проблема, четко обозначенная на форуме вице-премьером Правительства С.Б. Ивановым, состоит в том, что ключевое значение для становления наноиндустрии имеет процесс ее постепенной стандартизации, в отсутствие которой проникновение новых продуктов и технологий в реальную экономику будет существенно замедленно. Здесь нет альтернативы активному взаимодействию с международными организациями по стандартизации и специализированными техническими комитетами профильных международных профессиональных объединений. Уже активно работают Технические комитеты CEN/BTWG 166 «Нанотехнологии», ISO/TC 229 «Стандарты в области нанотехноло-

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2 гий», Комитет ASTM Е 56, Технические комитеты Американского национального института стандартов.

Правда первый такой опыт – разработку американского стандарта Е 2456-06 «Терминология для нанотехнологий», в которой принимали участие и японские специалисты, нельзя признать вполне удачным. Помимо своей крайней лаконичности (стандарт содержит только 13 терминов и определений), документ отличается определенными внутренними противоречиями.

Поэтому следует только поприветствовать и поддержать создание Технического комитета по стандартизации «Нанотехнологии и наноматериалы» ТК 441 при Ростехрегулировании, а также инициативу Научно-исследовательского центра по изучению свойств поверхности, взявшему на себя труд подготовить первую редакцию национального стандарта «Нанотехнологии. Термины и определения». Хочется верить, что в активную работу над этим стандартом включится ТК 465 «Строительство».

И, наконец, как неоднократно подчеркивал академик Ж.И. Алферов, «для развития настоящего хай-тека сегодня нужно уже другое образование», а точнее, подготовка, привлечение и закрепление молодых специалистов, кадров для работы в различных сферах нанотехнологий и наноматериалов, а также повышение их квалификации. Речь идет о создании инновационных центров с новыми стандартами обучения. По инициативе Российской академии наук таковые уже формируют в Петербурге, Москве и Hовосибирске, поскольку именно здесь есть база для взаимодействия вузов, академических и отраслевых институтов. Кроме того, в таких центрах должны быть организованы «бизнес-инкубаторы» для продвижения научных достижений. К сожалению, несмотря на несколько принятых Правительством Российской Федерации постановлений, этот совсем не простой процесс идет пока достаточно трудно.

Ведущий строительный вуз страны – МГСУ включен в перечень инвестиционных объектов в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы» в качестве научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии». Созданный в университете Центр нанотехнологий и новых материалов в строительстве благодаря открытой территориально-распределенной сети передачи и распространения профессиональных знаний на базе новейших информационных, в том числе спутниковых, технологий, сможет координировать работы специа-

В.Р. ФАЛИКМАН Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2

листов многих организаций и вузов. Сегодня в МГСУ есть и современное оборудование, необходимое для проведения исследований в области наноматериалов и нанотехнологий в строительстве, которое университет планирует использовать совместно с учеными и специалистами из самых отдаленных уголков страны.

Сердечно поздравляю всех специалистов строительного комплекса с Днём строителя! Желаю крепкого здоровья, благополучия и успешного овладения новыми высокоэффективными технологиями и материалами!

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Фаликман В.Р. Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 2 // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2009, Том 1, № 2. C. 10–20. URL: (дата обращения: __ ____________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Falikman V.R. About the use of nanotechnologies and nanomaterials in сonstruction. Part 2. Nanotechnologies in Construction: A Scientific InternetJournal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2009, Vol. 1, no. 2, pp. 10–20. Available at: (Accessed _____________). (In Russian).