Potenciál nanomateriálů ve stavebnictví
Stojíme na prahu nové průmyslové revoluce. Pokročilé materiálové a informační technologie mění svět a životy lidí, prostupují všechny obory a oblasti lidské činnosti. V materiálových technologiích se člověku podařilo sestoupit až do nanoměřítka na úroveň základních stavebních bloků hmoty, molekul a atomů, kde je možné vytvářet zcela nové vlastnosti i typy materiálů. Získáním kontroly nad hmotou v nanoměřítku totiž bereme do hry jiné fyzikální zákony než ty, které ovládají viditelný svět.
Začátek komerčního využití nanotechnologií se zhruba kryje se začátkem 21. století. Jedním z důležitých mezníků v rozvoji tohoto oboru se stal rok 2004, kdy byl ohlášen objev grafenu, prvního z řady tzv. 2D materiálů se supervlastnostmi, a shodou náhod byl ve stejném roce v České republice patentovaný stroj na průmyslovou výrobu nanovlákna Nanospider. Slovo průmyslový signalizuje, že nanovlákno opouští laboratoře a vstupuje do skutečné průmyslové výroby. Česká republika se tak stala jedním ze světových inkubátorů aplikací nanotechnologií.
Předpokládá se, že se v blízké budoucnosti nanotechnologie budou uplatňovat zejména v podobě chytrých materiálů, v oblasti senzoriky, v biomedicíně, elektronických obvodech obecně, ukládání velkých dat a v energetice. Nanotechnologie jsou svou podstatou interdisciplinární, lze je využít ve všech odvětvích od medicíny, přes textilní průmysl, enviromentální aplikace, elektroniku až po energetiku. I v tak konzervativním oboru, jako je stavebnictví, kde se tradičně inovace prosazují obtížněji, se budou nanotechnologie v blízké budoucnosti stále více objevovat.
Grafen
Grafen má potenciál stát se základním stavebním materiálem, který zcela změní způsob, jakým stavíme a konstruujeme. Chemicky se jedná o hexagonální formu uhlíku, tedy prvku, který je prakticky všude. Je vedle vodíku základním stavebním kamenem všech organických sloučenin. Grafen je mnohem pevnější než ocel nebo karbonové vlákno, je ultralehký, ultratenký, průhledný, supervodivý a recyklovatelný. Tloušťka grafenu je pouhá jedna molekula, proto označení 2D. Metod výroby grafenu je v současnosti už známých celá řada, například průhledné displeje nebo ohebné grafenové fotovoltaické články se vyrábějí tzv. chemickou depozicí z plynné fáze (CVD), kde dochází za vysokých teplot k usazování tenké uhlíkové vrstvy na měděné podložce, která se následně rozpustí.CVD patří mezi preferované metody, nicméně se stále hledají další způsoby, které by umožnily skutečně levnou průmyslovou výrobu kvalitního grafenu ve velkém množství. Ve stavebnictví se uvažuje o používání kompozitních materiálů na bázi grafenu.
Nanotrubičky v betonu
Modifikace cementové matrice nanočásticemi zlepšuje vlastnosti betonu a vede k vytvoření lepší struktury, která je méně pórovitá a celkově pevnější. Přimícháním uhlíkových nanovláken (CNF) do betonu se dá zlepšit odolnost vůči průniku vody a také mechanické vlastnosti jako např. pružnost v tahu, prodlužuje se i životnost. Vedle uhlíkových nanovláken se jeví jako velmi perspektivní pro technologii výroby betonu i uhlíkové nanotrubičky, nanosilika, nanovápenec nebo nanojíly. Zvyšují podobně jakoCNF pevnost betonu a jeho odolnost proti vzniku mikrotrhlin. Vypadá to, že v blízké budoucnosti třeba železobeton nahradí nanobeton. V současnosti tomu ještě brání relativně vyšší pořizovací cena, ale to se může s rychle rostoucí globální produkcí nanomateriálů brzy změnit.
Samočisticí povrchy
Vylepšení betonu nanotechnologiemi může mít ale ještě jinou podobu. Italská firma Italcementi si patentovala technologiiTX Active. Jedná se o využití fotokatalytických vlastností nanokrystalků dioxidu titanu v cementu. Beton z tohoto cementu v přítomnosti UV záření rozkládá všechny organické molekuly, které se přiblíží k jeho povrchu. Tento beton tedy má dezinfekční a samočisticí schopnosti. Na stejném principu, ale s mnohem větší účinností, fungují české fotokatalytické nátěry FN NANO. Lze je použít na stropy a stěny v interiérech, kde například ulehčí spánek alergikům a lidem s oslabenou imunitou tím, že ze vzduchu odstraní všechny patogeny včetně alergenů. Druhou možností je venkovní nátěr fasády, která bude ve dne za světla čistit sama sebe i vzduch ve svém okolí.
Nanovlákno je tisíckrát tenčí než lidský vlas
Průměr nanovlákna je něco kolem 100 až 150 nanometrů. Jedním ze způsobů jeho výroby je elektrostatické zvlákňování ve zmíněném zařízení Nanospider. V Nanospideru vzniká tenká pavučinka slepených nanovláken, jejíž otvory jsou stejně jako průměr nanovláken velmi malé, řádově v desítkách až stovkách nanometrů. Požadovaná velikost se dá při výrobě nastavit. Vznikne nanomembrána, která dokáže zadržet velké molekuly, bakterie i viry a propustí pouze malou molekulu, např. kyslíku. Její využití ve stavebnictví je například nasazení jako filtry ve vzduchotechnice v prostorech s extrémně vysokými nároky na čistotu. Nanomembránu lze také použít jako součást síťky do oken, která zadrží všechny nečistoty, patogeny, exhalace a pyl přicházející při otevřených oknech z venku, což je zejména problém bydlení ve velkých městech. Blokuje ale i silný vítr a částečně slouží jako tepelná izolace. Nanomebrána může být zároveň součástí filtrace vody. Takové zařízení by teoreticky dokázalo uzavřít vodní cyklus v bytové jednotce, nanofiltry totiž vyrobí pitnou vodu z jakkoli kontaminované odpadní vody, i z moči a stolice. Jiné použití nanomembrán patří pak už k výbavě bydlení, dobrým příkladem mohou být protiroztočové lůžkoviny nanoSPACE snanomembránou pro alergiky.
Aerogel izoluje lépe než sklo
Aerogel je materiál z křemičitých dutých nanokoulí. Díky jejich uspořádání a tvaru má materiál obrovský vnitřní povrch, velmi nízkou hustotu a vysokou pórovitost. Typická velikost pórů je pouze několik nanometrů. Tento nanomateriál má 40x lepší izolační vlastnosti než sklo a přitom váží jen tisícinu jeho hmotnosti Patří mezi nejlehčí pevné materiály, nicméně má velmi dobré mechanické vlastnosti. V Evropě se jeho vývojem a komercializací pod značkou Quartzene zabývá švédská firmaSvenska Aerogel. Pokud jím nahradíte standardní izolační materiály, sníží se podle výrobce spotřeba energie budovy na polovinu. Nebo naopak při zachování stejné úrovně tepelné izolace nasazením aerogelu o polovinu snížíte tloušťku izolační vrstvy. Aerogel lze použít i ve formě speciálních izolačních nátěrů, které snižují zahřívání povrchů.
Nanooptika tvaruje světlo
Světelné zdroje jsou důležitou součástí každé stavby. Světelné technologie udělaly v posledních letech obrovský pokrok a masivně se prosadily výkonné LED zdroje. Plnému využití jejich potenciálu ale paradoxně brání stále používaná klasická skleněná nebo plastová optika, která omezuje designéry a architekty svou rozměrností a často i cenou. Nanotechnologie přinášejí řešení v podobně tzv. nanostrukturace plochého povrchu. Vznikne povrch, který funguje jako plochá čočka, cílené lomy a interference umožňují přesné směrování paprsků a kuželů světla. Taková optimalizace umožní nejen zmenšit při zachování světelného výkonu zdroj, ale otevírá zcela nové možnosti v designu a konstrukci. V České republice se touto technologií zabývá firmaIQ Structures. Lisování plastové nanooptiky má potenciál nahradit kvalitativně, technologicky i ekonomicky zaostávající a náročné lisování a broušení skla.
Decentralizované zdroje energie
Energetika je jednou z klíčových technologií, které určují povahu civilizace. Během předchozích průmyslových revolucí se prosadilo centralizované zásobování elektrickou energií z velkých elektráren, fungujících zpravidla na bázi fosilních paliv a uranu. Nová průmyslová revoluce 21. století směřuje k výrazné decentralizaci a výrobě energie z obnovitelných zdrojů, kde dominuje slunce. Už dnes se každý dům pomocí fotovoltaických panelů může přeměnit na jakousi mikroelektrárnu, decentralizaci ale brání nedořešený způsob efektivního skladování energie. Baterie jsou stále drahé, nemají v přijatelných rozměrech dostatečnou kapacitu a problematická je i bezpečnost provozu. Nanotechnologie nasazením 2D materiálů a kvantových teček mohou významně zvýšit účinnost fotovoltaických systémů, velmi slibný je grafen a perovskit. Co je ale ještě důležitější, že jejich využití v konstrukci baterií, palivových článků nebo superkondenzátorů směřuje k levné a efektivní akumulaci energie. Českým patentem, který má šanci v mezinárodní konkurenci uspět, je 3D baterie HE3DA. Využívá anorganická nanovlákna v separátoru a celá její konstrukce je kromě elektrolytu nehořlavá. Baterie se minimálně zahřívá i při tvrdém zkratu, je zcela vyloučená exploze nebo vznik požáru. Jedná se o první 100% bezpečnou baterii na světě. Díky nanomateriálům se zároveň srovnatelně rychle nabíjí jako její zahraniční konkurenti.
Nanocelulóza je pevná jako ocel
Nanokrystalycká celulóza patří mezi supermateriály nanotechnologů. Vyrábí se zpracováním dřevěné kaše, surovinou tedy mohou být třeba piliny nebo jiný dřevěný odpad. Je to levný materiál, který je díky své nanostruktuře pevný jako železo.Používá se ve formě krystalů nebo vláken v různých průmyslových odvětvích, lze z ní vyrobit ohebné displeje i lehké osobní brnění pro vojáky. Ve stavebnictví by se mohla stát novým ekologickým stavebním materiálem. Je průhledná, pevná a tenká, mohla by nahradit plasty a sklo. Její kompozity mají podobné vlastnosti jako ocel, nicméně jsou mnohem pevnější a lehčí, mohly by se stát jedním ze základních konstrukčních materiálů. V podobě tzv. biopěny má nanocelulóza vynikající izolační vlastnosti, podobně jako aerogel by šla využít jako vysoce efektivní a lehký nový izolační materiál.
Nanomateriály přinášejí do konzervativního oboru stavebnictví skutečnou technologickou revoluci. Dnes ještě nedokážeme odhadnout dobu nutnou na jejich definitivní prosazení. Překážkou je často stále vyšší cena nebo ještě ne zcela dokončený aplikovaný výzkum. Na konci této stavební (nano)revoluce je dům vyrobený z chytrých materiálů, který je energeticky nezávislý na svém okolí, který uzavřel svůj vodní cyklus a chová se maximálně šetrně k životnímu prostředí.
Text byl napsaný pro internetový portál TZBINFO https://stavba.tzb-info.cz/stavebni-chemie/17189-potencial-nanomaterialu-ve-stavebnictvi??
Jiří Kůs
Nanotechnologie jako strategická technologie České republiky
Kombinace českých nanotechnologií se musí stát základem budoucího integrovaného systému preventivní ochrany obyvatelstva. Udělejme nanotechnologie strategickou technologií České republiky.
Jiří Kůs
Nanotechnologie v automobilovém průmyslu
Nanomateriály budou hrát v automobilovém průmyslu významnou roli. Výroba se změní na personalizovaný 3D tisk z nanokompozitů, které nahradí zcela ocel a plasty. Automobil s nanosenzory se bude sám orientovat a přizpůsobovat okolí.
Jiří Kůs
Nanozmrzlina, chytré nanoobaly a nanovíno
Nanotechnologie budeme nacházet v potravinářství stále častěji v podobě nanoingrediencí, chytrých biologicky rozložitelných obalů nebo nanosenzorů. Cílem nanotechnologů je zlepšit chuť i vzhled potravin a snížit jejich plýtvání.
Jiří Kůs
Osvědčené triky ve službách demagogie
V době internetu ovlivňují postoje a přesvědčení lidí stále více sociální sítě a hoaxy. Nesmíme ale zapomínat, že stejně silným nástrojem manipulace je také projev politika nebo jiné vlivné osoby, pokud to dotyčný umí.
Jiří Kůs
Můj nanotechnologický manifest
3. května 2018 jsme organizovali v Evropském parlamentu s Pavlem Teličkou Nanoden. Měl jsem si připravit krátkou keynote. Když jsem to psal, uvědomil jsem si, že je to vlastně můj nanotechnologický manifest.
Jiří Kůs
Proč by měl být 10. září Národní nanotechnologický den ČR
Hledáme jako Asociace nanotechnologického průmyslu podporu při podání návrhu zákona vyhlásit 10. září jako významný den: Národní nanotechnologický den ČR. Logika je v datu, jeden nanometr je 10 na -9 metru, tedy 10.9.
Jiří Kůs
Dny tradičních vyšších profesí jsou sečteny, přichází post-profesní společnost
Úsměvné iniciativy typu Práce 4.0 by měly volit přiléhavější název, například Práce 0. Nastupující technologická revoluce vezme člověku v jejich tradiční podobě i vyšší profese, včetně lékařů, právníků, architektů nebo učitelů.
Jiří Kůs
Narcismus v politice
Představa laika o narcismu se omezuje na člověka, který touží po obdivu. Zdá se pochopitelné, že se narcisové objevují hojně v politice. Narcismus ale patří mezi nejhlubší poruchy osobnosti a nejde zdaleka jen o vyžadovaný obdiv.
Jiří Kůs
Samočisticí textilie, lepidlo místo svářečky. Kde potkáme nanotechnologie v budoucnosti?
Motorem digitální revoluce jsou pokročilé materiálové technologie. Miniaturizace sestoupila na úroveň molekul a atomů. 3D tisk umožňují nanokompozitní materiály. A jsou další oblasti, kde se nanotechnologie budou brzy uplatňovat.
Jiří Kůs
Nanoboti v mozku budou dostupní pro každého
Považujeme technologický rozvoj na počátku 21. století za důsledek zmenšování a zlevňování elektronických obvodů. Nabízí se úvaha, že to musí někdy skončit.
Jiří Kůs
Megapodvod paušálu za jistič a manipulace veřejnosti
Světová energetika směřuje neodvratně k decentralizaci a obnovitelným zdrojům. Molochy v jadernouhelném českém království se začínají bránit.
Jiří Kůs
Nedovolme našemu strachu, aby nás ovládl.
Mé prohlášení jako předsedy Asociace nanotechnologického průmyslu ČR k tragickým událostem v Paříži 13. listopadu 2015.
Jiří Kůs
Lidská práce možná nebude důležitá
Vývoj, přeměna a růst není v přírodě ani kosmu lineární. Exponenciála se zdá být hluboce vetknutá do přediva časoprostoru. Chápeme to u dělení buněk a stejný vzorec nyní nacházíme i v rozvoji převratných technologií.
Jiří Kůs
Budou nám říkat lidé karbonové éry?
Nová průmyslová revoluce už začala a je o sdílení. Zmizí hranice mezi fyzickým a virtuálním světem, fyzické předměty budou mít svou digitální podobu, lidé se stanou prozumenty, kteří aktivně tvoří i konzumují digitální obsah sítě.
Jiří Kůs
Jsou české nanotechnologie bezpečné?
Všechno nové a neznámé odpradávna v člověku vyvolává obavy a strach. Jedná se o evoluční mechanismus, který nás na jedné straně sice chrání, na druhé straně ale může zmařit dobré a inovativní nápady, které by člověku zkvalitnily život. To se týká i zcela nových technologií nabízejících nová řešení. Nikola Tesla si už v r. 1905 posteskl : “V našem dnešním světě se revoluční myšlenky a vynálezy namísto podpory a pomoci setkávají již ve stadiu dospívání s překážkami a úklady, jež jim chystají sobecké zájmy, pedantství, hloupost a nevzdělanost, že musejí čelit napadání a posměchu.” Vždycky je jednodušší odmítnout nebo kritizovat, než studovat a snažit se porozumět novému. Bývá také politicky výhodnější a snadnější zdvihnout nad davem prapor proti kacířům, než se snažit otevřít duši lidí novým myšlenkám.
Jiří Kůs
Třetí průmyslová revoluce
Zkuste na chvíli zavřít oči a představit si úplně jiný svět. Energie přestala být zajímavou prodejní komoditou, nikdo neposouvá těžební limity, nikoho nezajímají nová naleziště ropy, uran se přestal těžit a roury plynovodů už nikd
Jiří Kůs
Proč by Česko mělo být NANO
Nové technologie a chytré materiály se stávají hybatelem 21. století. Změní už velmi brzo naše životy takovým způsobem, že se bude mluvit o další průmyslové revoluci.
Jiří Kůs
Dobře položená otázka aneb Jak se manipuluje lidmi
Manipulace na sebe bere různé podoby. Osvědčenou strategií je vytváření v manipulovaném pocit viny, pokud by se zachoval jinak než chce manipulátor. Politika je plná manipulace, i ta regionální, jak jsem se nedávno přesvědčil v přímém přenosu ve Vodňanech.
Jiří Kůs
Stát: inovace nepodporovat
Přišli jste s nápadem jako první? Počkejte si dva roky, až vás všichni předběhnou, pak vás podpoříme.
- Počet článků 20
- Celková karma 0
- Průměrná čtenost 1360x
www.jirikus.cz