فناوری نانو در مهندسی عمران
فناوری نانو در مهندسی عمران
فناوری نانو چیست؟
فناورینانو واژهای است کلی که به تمام فناوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm میباشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آیندهای نزدیک میتوانیم مولکولها و اتمها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.
فناوری نانو چیست؟ فناورینانو واژهای است کلی که به تمام فناوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm میباشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آیندهای نزدیک میتوانیم مولکولها و اتمها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر میباشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناورینانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیقتری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستمها ماشینهای مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
تاریخچه
در سال 1870 یک شیمیدان بلژیکی با نام دسمت(Desmedt) اولین سنگفرش آسفالت واقعی را، که مخلوطی از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نیویورک ایجاد نمود. طراحی دسمدت در بزرگراهی در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداری قرار گرفت. سپس دسمدت خیابان پنسیلوانیا در واشینگتن را آسفالت کرد که سطح این پرژه 45149 متر مربع بود.یکی از نمایندگان محلی کنگره به دسمدت گفت: ”این کار هرگز عمومیت نخواهد یافت.“
با این حال، بر اساس تقاضای رو بهرشد بازار، پیشبینی میشود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قیر معدنی به 107 میلیون تن برسد. در این میان آسفالت معلق بیشترین رشد را دارد. همچنین به عنوان نشانهای از رشد این محصولات در آینده، چندی است که کار بر روی آسفالتی که در موقع خرابی خودش را تعمیر کند، آغاز شده است.
به کارگیری فناوری نانو در ساخت زیربناهای مربوط به حمل ونقل، تقریباً معادل با تلاش بشر برای فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.در سال 2005 ایده ساخت آسفالتی برای بزرگراهها که بتوانند خودشان را تعمیر کنند برای بسیاری دور از ذهن به نظر میرسید. بنابراین صنعت آسفالت-قیر به یک تحول نیاز دارد تا مردم بتوانند امکانات فناوری نانو را دیده و مزایای آن را درک نمایند.
دکتر لیوینگستون، فیزیکدان برنامه تحقیقات زیربنایی پیشرفته در اداره کل بزرگراههای فدرال (FHWA)، میگوید: ”آسفالت و سیمان هر دو جزء نانومواد میباشند. تاکنون ما نتوانستهایم بفهمیم که در این سطح چه اتفاقی میافتد، اما این اثرات بر عملکرد مواد تاثیر میگذارند.“
بنا بر گفته لیوینگستون، یک ماده پلیمری ساختاری که میتواند به طور خود به خودی ترکها را اصلاح نماید، قبلاً تولید شده است. این پیشرفت قابل ملاحظه با استفاده از یک عامل اصلاح کننده کپسوله شده و یک آغازکننده شیمیایی کاتالیستی درون یک بستر اپوکسی ایجاد شده است.
یک ترک در حال ایجاد موجب گسستن میکروکپسولهای موجود شده، در نتیجه عامل اصلاحکننده با استفاده از خاصیت مویینگی درون ترک رها میشود. با تماس عامل اصلاحکننده با کاتالیزور موجود، این عامل شروع به پلیمریزه شدن نموده، دو طرف ترک را به هم میچسباند.
این روش میتواند منجر به تولید آسفالتی شود که ترکهای خود را اصلاح میکند. لیوینگستون میگوید: ”هیچکس نمیتواند برای رشد این فناوری زمانی را پیشبینی کند، اما پیشرفت واقعی در حال انجام است و قابلیتهای موجود بسیار هیجانآور میباشند.“
با این حال، برای استفادهکنندگان فعلی آسفالت، تصور نبود دستانداز، یا نبود تأخیر به خاطر تعمیرات آسفالت، بسیار دور از دسترس بوده و نگرانیهای جدی آنها را برطرف نمیسازد.
محیط زیست عامل اصلی تأثیرگذار در فرایند تصمیمگیری برای پروژههای بزرگراه در بسیاری از کشورها است. مزایای یک آسفالت متفاوت برای جادهها از دیدگاه زیستمحیطی و مصرف انرژی، تنها یک بخش مهم از فرآیند تصمیمگیری است. دیدگاههای زیستمحیطی موجب تسریع پیشرفتهای فنی و اجتماعی میشوند. نیازهای چندگانه حفاظت از محیط زیست شامل: محدود نمودن انتشار گازهای گلخانهای، مصرف کمتر انرژی، کاهش سر و صدای ترافیک و اطمینان از سلامتی و راحتی در رانندگی، اهدافی هستند که به دلیل ایجاد مسئولیت مشترک، مهمتر از تمام پیشرفتهای علمی میباشند.
یکی از این اهداف بستن چرخه مواد یا استفاده صد در صدی از مواد قابل بازیافت در ساخت جاده است. صنعت در این زمینه تجربه زیادی در مورد استفاده از محصولات فرعی در آسفالت به دست آورده است.
مثالهایی از مواد زایدی که در مخلوط آسفالت مورد استفاده قرار گرفتهاند، عبارتند از: تفاله کوره شیشهدمی، خاکستر حاصل از سوزاندن زبالههای شهری، خاکستر موجود در مراکز تولید برق به وسیله زغال، آجرهای خرد شده، پلاستیک حاصل از سیمهای برق قدیمی و لاستیک حاصل از تایرهای کهنه.
با این حال، استفاده موفقیتآمیز از این محصولات وابسته به تحقیقات کامل در زمینه منابع و ویژگیهای آنها بوده و معمولاً در سطح پایینی قابل انجام است. در این حالت امکان بررسی پیوسته عملکرد آسفالت نیز وجود دارد که خود موضوعی مورد بحث است.
با این حال، مطابق گفتههای مارک بلشه، مدیر آسفالت لاستیک در پروژه آسفالتسازی آرام آریزونا، حمایت عمومی - نه تحقیقات علمی- کلید توسعه صنعت تولید آسفالت با استفاده از محصولات فرعی است.
پرژه آریزونا ارزشی معادل 34 میلیون دلار داشته و در همین سال به پایان خواهد رسید. این پروژه تقریباً 70 درصد (185 کیلومتر)آزادراه ناحیه فونیکس را دربرگرفته و آسفالت آن قادر خواهد بود تا مدت طولانی صدای ناشی از اصطکاک را در جاده کاهش دهد.
آسفالتِ دارای لاستیک تنها درصد بسیار کم و تقریباً بیاهمیتی از درآمد صنعت ساختمانی را به خود اختصاص میدهد، اما بلشه میگوید که با افزایش رغبت عمومی این درصد افزایش خواهد یافت.
به عنوان مثال در ژاپن، گروه تحقیقات آسفالت لاستیک (JARRG)، که شامل مجموعهای از تولیدکنندگان تایر و شرکتهای آسفالتسازی میباشد، یک اتصالدهنده آسفالت بسیار ویسکوز را توسعه دادهاند که از انبساط و پخش تایرهای کهنهای که به صورت بسیار ریز ساییده شدهاند، تولید میشود. این اتصال دهنده در مخلوط آسفالت پخش شده و سپس پخته میشود.این ماده میتواند به عنوان یک ماده الاستیک مابین مواد متراکم دیگر عمل نموده و از این طریق، ارتعاش و صدا را کاهش دهد. بنا بر اعلام JARRG اقبال عمومی به این محصول بسیار خوب است.
بلشه میگوید: ”افرادی که در صنعت آسفالت لاستیک درگیر بودهاند، همواره سعی کردهاند که آن را به دلیل ویژگیهای مهندسی بسیار عالیاش به فروش برسانند. امّا بیش از هر چیز این محصول به عنوان کاهش دهنده صدا شناخته شده است و در پشت این قضیه، استقبال عمومی قرار دارد.“
وزارت حمل و نقل آریزونا (ADOT) سه سال پیش یک نوع آسفالت را در بزرگراه سوپر استیشن در ناحیه آریزونا به کار برد. بلشه میگوید که به محض اتمام آسفالت این بزرگراه، ADOT و مسئولین محلی سیل عظیمی از تلفنها و ایمیلها را دریافت نمودند که از اشتیاق مردم نسبت به این جاده کمصداتر حکایت داشت.
البته همه چیز آسفالت لاستیک کامل نیست. این مخلوط باعث ایجاد بخار و بو در فرآیند آسفالت کردن شده، هنوز در مورد قابل بازیافت بودن آن بحث وجود دارد. این آسفالت نسبت به آسفالتهای معمول بسیار گرانتر بوده و آسفالتکارانی که تا به حال با این ماده چسبناک کار نکردهاند، ممکن است در کار کردن با آن، که باید در یک بازه دمایی معین انجام شود، دچار مشکل باشند. ممکن است نظر بلشه در مورد نظر عمومی درست باشد، اما روی دیگر سکه این است که خواست استفادهکنندگان از جاده کمصداتر و در عین حال دارای اثرات زیستمحیطی کمتر، افزایش یافته است. این امر باعث تمرکز بیشتر تحقیقات بر روی مسائل مربوط به حمل و نقل، از جمله مواد مورد استفاده در جاده شده است.
افزایش عمومی در میزان حمل و نقل، بار بیشتر بر روی محور، و فشار بیشتر تایر بر روی جاده، تقاضا برای آسفالتهای قویتر وبادوامتر را افزایش میدهد. حمل و نقل بیشتر به این مفهوم نیز میباشد که ایجاد مشکل در حمل و نقل برای تعمیرات جادهای مطلوب نیست و این امر موجب ایجاد تقاضای بیشتر برای تحقیق و توسعه مؤثر میگردد
به کارگيري فناوري نانو در ساخت زيربناهاي مربوط به حمل ونقل، تقريباً معادل با تلاش بشر براي فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.در سال 2005 ايده ساخت آسفالتي براي بزرگراهها که بتوانند خودشان را تعمير کنند براي بسياري دور از ذهن به نظر ميرسيد. بنابراين صنعت آسفالت-قير به يک تحول نياز دارد تا مردم بتوانند امکانات فناوري نانو را ديده و مزاياي آن را درک نمايند.
دکتر ليوينگستون، فيزيکدان برنامه تحقيقات زيربنايي پيشرفته در اداره کل بزرگراههاي فدرال (FHWA)، ميگويد: ”آسفالت و سيمان هر دو جزء نانومواد ميباشند. تاکنون ما نتوانستهايم بفهميم که در اين سطح چه اتفاقي ميافتد، اما اين اثرات بر عملکرد مواد تاثير ميگذارند.“
بنا بر گفته ليوينگستون، يک ماده پليمري ساختاري که ميتواند به طور خود به خودي ترکها را اصلاح نمايد، قبلاً توليد شده است. اين پيشرفت قابل ملاحظه با استفاده از يک عامل اصلاح کننده کپسوله شده و يک آغازکننده شيميايي کاتاليستي درون يک بستر اپوکسي ايجاد شده است.
يک ترک در حال ايجاد موجب گسستن ميکروکپسولهاي موجود شده، در نتيجه عامل اصلاحکننده با استفاده از خاصيت مويينگي درون ترک رها ميشود. با تماس عامل اصلاحکننده با کاتاليزور موجود، اين عامل شروع به پليمريزه شدن نموده، دو طرف ترک را به هم ميچسباند.
اين روش ميتواند منجر به توليد آسفالتي شود که ترکهاي خود را اصلاح ميکند. ليوينگستون ميگويد: ”هيچکس نميتواند براي رشد اين فناوري زماني را پيشبيني کند، اما پيشرفت واقعي در حال انجام است و قابليتهاي موجود بسيار هيجانآور ميباشند.“
با اين حال، براي استفادهکنندگان فعلي آسفالت، تصور نبود دستانداز، يا نبود تأخير به خاطر تعميرات آسفالت، بسيار دور از دسترس بوده و نگرانيهاي جدي آنها را برطرف نميسازد.
محيط زيست عامل اصلي تأثيرگذار در فرايند تصميمگيري براي پروژههاي بزرگراه در بسياري از کشورها است. مزاياي يک آسفالت متفاوت براي جادهها از ديدگاه زيستمحيطي و مصرف انرژي، تنها يک بخش مهم از فرآيند تصميمگيري است. ديدگاههاي زيستمحيطي موجب تسريع پيشرفتهاي فني و اجتماعي ميشوند. نيازهاي چندگانه حفاظت از محيط زيست شامل: محدود نمودن انتشار گازهاي گلخانهاي، مصرف کمتر انرژي، کاهش سر و صداي ترافيک و اطمينان از سلامتي و راحتي در رانندگي، اهدافي هستند که به دليل ايجاد مسئوليت مشترک، مهمتر از تمام پيشرفتهاي علمي ميباشند.
يکي از اين اهداف بستن چرخه مواد يا استفاده صد در صدي از مواد قابل بازيافت در ساخت جاده است. صنعت در اين زمينه تجربه زيادي در مورد استفاده از محصولات فرعي در آسفالت به دست آورده است.
مثالهايي از مواد زايدي که در مخلوط آسفالت مورد استفاده قرار گرفتهاند، عبارتند از: تفاله کوره شيشهدمي، خاکستر حاصل از سوزاندن زبالههاي شهري، خاکستر موجود در مراکز توليد برق به وسيله زغال، آجرهاي خرد شده، پلاستيک حاصل از سيمهاي برق قديمي و لاستيک حاصل از تايرهاي کهنه.
با اين حال، استفاده موفقيتآميز از اين محصولات وابسته به تحقيقات کامل در زمينه منابع و ويژگيهاي آنها بوده و معمولاً در سطح پاييني قابل انجام است. در اين حالت امکان بررسي پيوسته عملکرد آسفالت نيز وجود دارد که خود موضوعي مورد بحث است.
با اين حال، مطابق گفتههاي مارك بلشه، مدير آسفالت لاستيک در پروژه آسفالتسازي آرام آريزونا، حمايت عمومي - نه تحقيقات علمي- کليد توسعه صنعت توليد آسفالت با استفاده از محصولات فرعي است.
پرژه آريزونا ارزشي معادل 34 ميليون دلار داشته و در همين سال به پايان خواهد رسيد. اين پروژه تقريباً 70 درصد (185 کيلومتر)آزادراه ناحيه فونيكس را دربرگرفته و آسفالت آن قادر خواهد بود تا مدت طولاني صداي ناشي از اصطکاک را در جاده کاهش دهد.
آسفالتِ داراي لاستيک تنها درصد بسيار کم و تقريباً بياهميتي از درآمد صنعت ساختماني را به خود اختصاص ميدهد، اما بلشه ميگويد که با افزايش رغبت عمومي اين درصد افزايش خواهد يافت.
به عنوان مثال در ژاپن، گروه تحقيقات آسفالت لاستيک (JARRG)، که شامل مجموعهاي از توليدکنندگان تاير و شرکتهاي آسفالتسازي ميباشد، يک اتصالدهنده آسفالت بسيار ويسکوز را توسعه دادهاند که از انبساط و پخش تايرهاي کهنهاي که به صورت بسيار ريز ساييده شدهاند، توليد ميشود. اين اتصال دهنده در مخلوط آسفالت پخش شده و سپس پخته ميشود.اين ماده ميتواند به عنوان يک ماده الاستيک مابين مواد متراکم ديگر عمل نموده و از اين طريق، ارتعاش و صدا را کاهش دهد. بنا بر اعلام JARRG اقبال عمومي به اين محصول بسيار خوب است.
بلشه ميگويد: ”افرادي که در صنعت آسفالت لاستيک درگير بودهاند، همواره سعي کردهاند که آن را به دليل ويژگيهاي مهندسي بسيار عالياش به فروش برسانند. امّا بيش از هر چيز اين محصول به عنوان کاهش دهنده صدا شناخته شده است و در پشت اين قضيه، استقبال عمومي قرار دارد.“
وزارت حمل و نقل آريزونا (ADOT) سه سال پيش يک نوع آسفالت را در بزرگراه سوپر استيشن در ناحيه آريزونا به کار برد. بلشه ميگويد كه به محض اتمام آسفالت اين بزرگراه، ADOT و مسئولين محلي سيل عظيمي از تلفنها و ايميلها را دريافت نمودند که از اشتياق مردم نسبت به اين جاده کمصداتر حکايت داشت.
البته همه چيز آسفالت لاستيک کامل نيست. اين مخلوط باعث ايجاد بخار و بو در فرآيند آسفالت کردن شده، هنوز در مورد قابل بازيافت بودن آن بحث وجود دارد. اين آسفالت نسبت به آسفالتهاي معمول بسيار گرانتر بوده و آسفالتکاراني که تا به حال با اين ماده چسبناک کار نکردهاند، ممکن است در کار کردن با آن، که بايد در يک بازه دمايي معين انجام شود، دچار مشکل باشند.
ممکن است نظر بلشه در مورد نظر عمومي درست باشد، اما روي ديگر سکه اين است که خواست استفادهکنندگان از جاده کمصداتر و در عين حال داراي اثرات زيستمحيطي کمتر، افزايش يافته است. اين امر باعث تمرکز بيشتر تحقيقات بر روي مسائل مربوط به حمل و نقل، از جمله مواد مورد استفاده در جاده شده است.
افزايش عمومي در ميزان حمل و نقل، بار بيشتر بر روي محور، و فشار بيشتر تاير بر روي جاده، تقاضا براي آسفالتهاي قويتر وبادوامتر را افزايش ميدهد. حمل و نقل بيشتر به اين مفهوم نيز ميباشد که ايجاد مشکل در حمل و نقل براي تعميرات جادهاي مطلوب نيست و اين امر موجب ايجاد تقاضاي بيشتر براي تحقيق و توسعه مؤثر ميگردد.
ريسكهاي مربوط به سلامتي و محيط زيست
بدون شك ساختمانها يكي از حوزههاي اصليتماس انسانها با نانوذرات از طريق تنفس يا جذب از طريق پوست ميباشد. هماكنون درسيستمهاي تصفيه هواي ساختمان از كاتاليستهاي فلزي نانومقياس و ديگر كاربردهايفناوري نانو براي از بين بردن آلودهكنندههاي هوا، استفاده ميشود. نانوذراتموجود در اين فيلترها ميتوانند از طريق هوا در ساختمان منتشر شده و وارد بدن انسانشوند. بايستي درباره اثرات سلامتي نانوذرات كه از طريق تنفس به بدن نفوذ ميكنندتحقيقات دقيقي انجام گيرد. ممكن است نانو ذرات از طريق محصولات تميز كننده وروكشها نيز منتشر شوند.
توليدكنندگان نانوفيلترها، محصولات تميز كننده وروكشها اظهار ميكنند فناوري نانو اين محصولات را از نظر محيطي نسبت به سايرمحصولات بيخطرتر ميكند. ما هم اكنون نانوذرات را از طريق دامنه گستردهاي ازمحصولات، از صفحات خورشيدي تا وسايل آرايش، بدون داشتن اثرات مضر آشكار جذب مينماييم.
اگر آب مورد استفاده در ساختمانها از طريق نانوفيلترهاي موجود دربازار تصفيه شوند ممكن است نانوذرات وارد بدن شوند. انتشار نانوذرات در محيط ممكناست اثرات مخربي بر محيط زيست داشته باشد. ممكن است كه پاك كنندهها نيز از طريقسيستمهاي دفع فاضلاب ساختمانها وارد محيطزيست شوند. در حالي كه نانوفيلترها پاكبودن آب و هواي خروجي از ساختمانها را تضمين ميكنند، اثرات زيستمحيطي نانوذراتبايستي به وسيله معماران و محققان مورد بررسي قرار گيرد.
ريسكهاي اجتماعي
در صورتي كه حسگرها بسيار رايج شوند نوع كاملاً متفاوتي از ريسك ممكن است بهوجود آيد.
ممكن است با استفاده گسترده از عناصر هوشمند در ساختمانسازي، حريمخصوصي افراد در معرض خطر قرار گيرد. هماكنون فناوريهاي بدون سيم مانند تلفنهايهمراه براي استفادهكنندگان در حال گسترش ميباشد. در اسپانيا، مكزيك و آمريكاساكنان ساختمانها از طريق تراشههاي كار گذاشته شده در ساختمانها كنترل ميشوند. با گسترش فناوريهاي كنترل كننده پاسخ استفاده كنندگان چه خواهد بود؟
دربارهحريم خصوصي افراد، سئوالي كه مطرح ميشود اين است كه چه كسي محيط ساختمانها راكنترل ميكند و اين عمل را چطور انجام ميدهد؟ اگرچه عناصر ساختمانها مناسب باسلايق استفاده كنندگان و شرايط محيطي ميگردد ولي مسائل مربوط به كنترل ساختمان هاميتواند به عنوان يكي از مشكلات اساسي مطرح باشد. براي مثال فناوري نانو اين امكانرا به وجود آورده است تا ميزان شفافيت شيشههاي پنجرههاي ساختمان ها مطابق باسلايق استفادهكنندگان تغيير كند، ولي سؤالي كه مطرح است اين است كه چه كسي ميزانشفافيت شيشهها را كنترل ميكند؟
معضلاتي كه پذيرندگان اوليه کاربردهاي اينفناوري با آن مواجهاند
با استفاده از نانومواد و فناوري نانو در ساختمانسازيهمه استفادهكنندگان اين فناوري نوظهور با مشكلاتي مواجه خواهند شد. سؤالي كه دراين جا مطرح است اين است اگر حادثه بدي رخ دهد آيا ريسكهاي فناوري نانو مورد توجهقرار ميگيرد؟ بايد به خاطر داشت كه توسعهدهندگان فناوري نانو در ابتدا از مزاياياين فناوري بسيار صحبت نمودند. اما آنچه كه بديهي به نظر ميرسد اين است كه تا بهامروز به همه جنبههاي نانومواد و فناورينانو توجه نشده است. لذا بايستي ترسي ازتوسعه نانومواد و فناورينانو نداشته باشيم زيرا كه فناورينانو دربرگيرندهفرصتهاي ارزشمندي براي بهبود عملكرد ساختمانها، سلامت استفادهكنندگان و كيفيتمحيطزيست ميباشد.
طبق برآوردهاي انجام شده تجهيزات ساختماني سالانه 1000 ميليارد دلار درآمد ايجادمينمايند. صنعت مربوط به تجهيزات ساختماني يكي از صنايعي است كه فناوري نانو ونانومواد ميتوانند در آن كاربرد وسيعي داشته باشند. در حال حاضر فناوري نانو دربرخي محصولات و تجهيزات ساختمانسازي مانند پنجرههاي خود تميزشونده و صفحاتخورشيدي منعطف براي رنگآميزي ساختمانها، مورد استفاده قرار ميگيرد. البتهكاربردهاي بسياري؛ مانند بتنهاي خود ترميم شونده، مواد ضد اشعه UV و IR، پوششضدمه و سقفها و ديوارهاي منتشر كننده نور نيز در حال توسعه ميباشند.
امروزهحسگرهاي توانمند فناوري نانو قادرند درجه حرارت، رطوبت و ذرات سمي معلق در هوا راكنترل كنند. تا سال 2012 انتظار ميرود بازار حسگرهاي فناوري نانو به 2/17 ميليارددلار برسد. به زودي حسگرهاي ارزانقيمت براي كنترل لرزشها، پوسيدگيها و ديگرملاحظات عملكردي در ساختمانسازي ، وارد بازار خواهند شد. فناوري نانو به سرعتباطريها و وسايل بدون سيم مورد استفاده در اين حسگرها را بهبود ميدهد. درآيندهاي نه چندان دور حسگرها در ساختمانها، جمعآوري اطلاعات درباره محيط وكاربردهاي ساختمانسازي، مورد استفاده قرار ميگيرند. عناصر تشكيلدهنده ساختمانهاو بناها، هوشمند خواهند شد. البته نانوحسگرها و مواد ساختمانسازي نانويي سئوالاتيرا براي طراحان، سازندگان، مالكان و استفادهكنندگان از ساختمانها ايجاد كرده است. اما آنچه كه بديهي به نظر ميرسد اين است كه ساختمانها، هوشمند ميشوند و نانوموادبه عنوان يکي از عناصر اصلي ساختمان مد نظر قرار ميگيرد
فناوری نانو بر آسفالت
در سال 2005 ایده ساخت آسفالتی برای بزرگراهها که بتوانند خودشان را تعمیر کنند برای بسیاری دور از ذهن به نظر میرسید. بنابراین صنعت آسفالت-قیر به یک تحول نیاز دارد تا مردم بتوانند امکانات فناوری نانو را دیده و مزایای آن را درک نمایند.
دکتر لیوینگستون، فیزیکدان برنامه تحقیقات زیربنایی پیشرفته در اداره کل بزرگراههای فدرال (FHWA)، میگوید: ”آسفالت و سیمان هر دو جزء نانومواد میباشند. تاکنون ما نتوانستهایم بفهمیم که در این سطح چه اتفاقی میافتد، اما این اثرات بر عملکرد مواد تاثیر میگذارند.“
بنا بر گفته لیوینگستون، یک ماده پلیمری ساختاری که میتواند به طور خود به خودی ترکها را اصلاح نماید، قبلاً تولید شده است. این پیشرفت قابل ملاحظه با استفاده از یک عامل اصلاح کننده کپسوله شده و یک آغازکننده شیمیایی کاتالیستی درون یک بستر اپوکسی ایجاد شده است.
یک ترک در حال ایجاد موجب گسستن میکروکپسولهای موجود شده، در نتیجه عامل اصلاحکننده با استفاده از خاصیت مویینگی درون ترک رها میشود. با تماس عامل اصلاحکننده با کاتالیزور موجود، این عامل شروع به پلیمریزه شدن نموده، دو طرف ترک را به هم میچسباند.
این روش میتواند منجر به تولید آسفالتی شود که ترکهای خود را اصلاح میکند. لیوینگستون میگوید: ”هیچکس نمیتواند برای رشد این فناوری زمانی را پیشبینی کند، اما پیشرفت واقعی در حال انجام است و قابلیتهای موجود بسیار هیجانآور میباشند.“
با این حال، برای استفادهکنندگان فعلی آسفالت، تصور نبود دستانداز، یا نبود تأخیر به خاطر تعمیرات آسفالت، بسیار دور از دسترس بوده و نگرانیهای جدی آنها را برطرف نمیسازد.
محیط زیست عامل اصلی تأثیرگذار در فرایند تصمیمگیری برای پروژههای بزرگراه در بسیاری از کشورها است. مزایای یک آسفالت متفاوت برای جادهها از دیدگاه زیستمحیطی و مصرف انرژی، تنها یک بخش
مهم از فرآیند تصمیمگیری است. دیدگاههای زیستمحیطی موجب تسریع پیشرفتهای فنی و اجتماعی میشوند. نیازهای چندگانه حفاظت از محیط زیست شامل: محدود نمودن انتشار گازهای گلخانهای، مصرف کمتر انرژی، کاهش سر و صدای ترافیک و اطمینان از سلامتی و راحتی در رانندگی، اهدافی هستند که به دلیل ایجاد مسئولیت مشترک، مهمتر از تمام پیشرفتهای علمی میباشند.
یکی از این اهداف بستن چرخه مواد یا استفاده صد در صدی از مواد قابل بازیافت در ساخت جاده است. صنعت در این زمینه تجربه زیادی در مورد استفاده از محصولات فرعی در آسفالت به دست آورده است.
مثالهایی از مواد زایدی که در مخلوط آسفالت مورد استفاده قرار گرفتهاند، عبارتند از: تفاله کوره شیشهدمی، خاکستر حاصل از سوزاندن زبالههای شهری، خاکستر موجود در مراکز تولید برق به وسیله زغال، آجرهای خرد شده، پلاستیک حاصل از سیمهای برق قدیمی و لاستیک حاصل از تایرهای کهنه.
با این حال، استفاده موفقیتآمیز از این محصولات وابسته به تحقیقات کامل در زمینه منابع و ویژگیهای آنها بوده و معمولاً در سطح پایینی قابل انجام است. در این حالت امکان بررسی پیوسته عملکرد آسفالت نیز وجود دارد که خود موضوعی مورد بحث است.
با این حال، مطابق گفتههای مارک بلشه، مدیر آسفالت لاستیک در پروژه آسفالتسازی آرام آریزونا، حمایت عمومی - نه تحقیقات علمی- کلید توسعه صنعت تولید آسفالت با استفاده از محصولات فرعی است.
پرژه آریزونا ارزشی معادل 34 میلیون دلار داشته و در همین سال به پایان خواهد رسید. این پروژه تقریباً 70 درصد (185 کیلومتر)آزادراه ناحیه فونیکس را دربرگرفته و آسفالت آن قادر خواهد بود تا مدت طولانی صدای ناشی از اصطکاک را در جاده کاهش دهد.
آسفالتِ دارای لاستیک تنها درصد بسیار کم و تقریباً بیاهمیتی از درآمد صنعت ساختمانی را به خود اختصاص میدهد، اما بلشه میگوید که با افزایش رغبت عمومی این درصد افزایش خواهد یافت.
به عنوان مثال در ژاپن، گروه تحقیقات آسفالت لاستیک (JARRG)، که شامل مجموعهای از تولیدکنندگان تایر و شرکتهای آسفالتسازی میباشد، یک اتصالدهنده آسفالت بسیار ویسکوز را توسعه دادهاند که از انبساط و پخش تایرهای کهنهای که به صورت بسیار ریز ساییده شدهاند، تولید میشود. این اتصال دهنده
در مخلوط آسفالت پخش شده و سپس پخته میشود.این ماده میتواند به عنوان یک ماده الاستیک مابین مواد متراکم دیگر عمل نموده و از این طریق، ارتعاش و صدا را کاهش دهد. بنا بر اعلام JARRG اقبال عمومی به این محصول بسیار خوب است.
بلشه میگوید: ”افرادی که در صنعت آسفالت لاستیک درگیر بودهاند، همواره سعی کردهاند که آن را به دلیل ویژگیهای مهندسی بسیار عالیاش به فروش برسانند. امّا بیش از هر چیز این محصول به عنوان کاهش دهنده صدا شناخته شده است و در پشت این قضیه، استقبال عمومی قرار دارد.“
وزارت حمل و نقل آریزونا (ADOT) سه سال پیش یک نوع آسفالت را در بزرگراه سوپر استیشن در ناحیه آریزونا به کار برد. بلشه میگوید که به محض اتمام آسفالت این بزرگراه، ADOT و مسئولین محلی سیل عظیمی از تلفنها و ایمیلها را دریافت نمودند که از اشتیاق مردم نسبت به این جاده کمصداتر حکایت داشت.
البته همه چیز آسفالت لاستیک کامل نیست. این مخلوط باعث ایجاد بخار و بو در فرآیند آسفالت کردن شده، هنوز در مورد قابل بازیافت بودن آن بحث وجود دارد. این آسفالت نسبت به آسفالتهای معمول بسیار گرانتر بوده و آسفالتکارانی که تا به حال با این ماده چسبناک کار نکردهاند، ممکن است در کار کردن با آن، که باید در یک بازه دمایی معین انجام شود، دچار مشکل باشند.
ممکن است نظر بلشه در مورد نظر عمومی درست باشد، اما روی دیگر سکه این است که خواست استفادهکنندگان از جاده کمصداتر و در عین حال دارای اثرات زیستمحیطی کمتر، افزایش یافته است. این امر باعث تمرکز بیشتر تحقیقات بر روی مسائل مربوط به حمل و نقل، از جمله مواد مورد استفاده در جاده شده است.
افزایش عمومی در میزان حمل و نقل، بار بیشتر بر روی محور، و فشار بیشتر تایر بر روی جاده، تقاضا برای آسفالتهای قویتر وبادوامتر را افزایش میدهد. حمل و نقل بیشتر به این مفهوم نیز میباشد که ایجاد مشکل در حمل و نقل برای تعمیرات جادهای مطلوب نیست و این امر موجب ایجاد تقاضای بیشتر برای تحقیق و توسعه مؤثر میگردد.
طبق برآوردهاي انجام شده تجهيزات ساختماني سالانه 1000 ميليارد دلار درآمد ايجاد مينمايند. صنعت مربوط به تجهيزات ساختماني يكي از صنايعي است كه فناوري نانو و نانومواد ميتوانند در آن كاربرد وسيعي داشته باشند. در حال حاضر فناوري نانو در برخي محصولات و تجهيزات ساختمانسازي مانند پنجرههاي خود تميزشونده و صفحات خورشيدي منعطف براي رنگآميزي ساختمانها، مورد استفاده قرار ميگيرد. البته كاربردهاي بسياري؛ مانند بتنهاي خود ترميم شونده، مواد ضد اشعه UV و IR، پوشش ضدمه و سقفها و ديوارهاي منتشر كننده نور نيز در حال توسعه ميباشند.
امروزه حسگرهاي توانمند فناوري نانو قادرند درجه حرارت، رطوبت و ذرات سمي معلق در هوا را كنترل كنند. تا سال 2012 انتظار ميرود بازار حسگرهاي فناوري نانو به 2/17 ميليارد دلار برسد. به زودي حسگرهاي ارزانقيمت براي كنترل لرزشها، پوسيدگيها و ديگر ملاحظات عملكردي در ساختمانسازي ، وارد بازار خواهند شد. فناوري نانو به سرعت باطريها و وسايل بدون سيم مورد استفاده در اين حسگرها را بهبود ميدهد. در آيندهاي نه چندان دور حسگرها در ساختمانها، جمعآوري اطلاعات درباره محيط و كاربردهاي ساختمانسازي، مورد استفاده قرار ميگيرند. عناصر تشكيلدهنده ساختمانها و بناها، هوشمند خواهند شد. البته نانوحسگرها و مواد ساختمانسازي نانويي سئوالاتي را براي طراحان، سازندگان، مالكان و استفادهكنندگان از ساختمانها ايجاد كرده است. اما آنچه كه بديهي به نظر ميرسد اين است كه ساختمانها، هوشمند ميشوند و نانومواد به عنوان يکي از عناصر اصلي ساختمان مد نظر قرار ميگيرد.
ريسكهاي مربوط به سلامتي و محيط زيست
بدون شك ساختمانها يكي از حوزههاي اصلي تماس انسانها با نانوذرات از طريق تنفس يا جذب از طريق پوست ميباشد. هماكنون در سيستمهاي تصفيه هواي ساختمان از كاتاليستهاي فلزي نانومقياس و ديگر كاربردهاي فناوري نانو براي از بين بردن آلودهكنندههاي هوا، استفاده ميشود. نانوذرات موجود در اين فيلترها ميتوانند از طريق هوا در ساختمان منتشر شده و وارد بدن انسان شوند. بايستي درباره اثرات سلامتي نانوذرات كه از طريق تنفس به بدن نفوذ ميكنند تحقيقات دقيقي انجام گيرد. ممكن است نانو ذرات از طريق محصولات تميز كننده و روكشها نيز منتشر شوند.
توليدكنندگان نانوفيلترها، محصولات تميز كننده و روكشها اظهار ميكنند فناوري نانو اين محصولات را از نظر محيطي نسبت به ساير محصولات بيخطرتر ميكند. ما هم اكنون نانوذرات را از طريق دامنه گستردهاي از محصولات، از صفحات خورشيدي تا وسايل آرايش، بدون داشتن اثرات مضر آشكار جذب مي نماييم.
اگر آب مورد استفاده در ساختمانها از طريق نانوفيلترهاي موجود در بازار تصفيه شوند ممكن است نانوذرات وارد بدن شوند. انتشار نانوذرات در محيط ممكن است اثرات مخربي بر محيط زيست داشته باشد. ممكن است كه پاك كنندهها نيز از طريق سيستمهاي دفع فاضلاب ساختمانها وارد محيطزيست شوند. در حالي كه نانوفيلترها پاك بودن آب و هواي خروجي از ساختمانها را تضمين ميكنند، اثرات زيستمحيطي نانوذرات بايستي به وسيله معماران و محققان مورد بررسي قرار گيرد.
(به نام یگانه معمار هستی)