کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران

[sajad.akhuondi9446]

پرديس فناوري کيش طرح مشاوره متخصصين صنعت و مديريت گروه  اجرائي و عمران

 

 فناوری نانو چیست؟

فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوري‌هاي پيشرفته در عرصه كار با مقياس نانو اطلاق مي‌شود. معمولاًمنظور از مقياس نانوابعادي در حدود 1nm تا 100nm مي‌باشد. (1 نانومتر يک ميليارديم متر است).اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال ريچارد فاينمن طي يك سخنراني با عنوان «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقيم دستكاري كنيم.

مقياس نانو

سازمان بين‌المللي استانداردها يك متر را بدين گونه تعريف كرده است:

طولي كه توسط نور در خلأ در بازه زماني 29979457/1 ثانيه طي مي‌شود، يك متر مي‌باشد ويك نانومتر 10-9متر مي‌باشد.با ايجاد ارتباط ميان اندازه اتم‌ها و مقياس نانو مي‌توان يك نانومتر را راحت‌ترتصوركرد. يك نانومتر برابر قطر 10 اتم هيدروژن و يا 5 اتم سيلسيم مي‌باشد. درك اين موضوع براي افراد معمولي نيز راحت‌تر مي‌باشد.

همچنين :

يک نانو متر يک ميلياريم متر است.

يک گلبول قرمز داراي عرض تقريبي هفت هزار نانومتر است.

يك مولكول آب داراي قطري حدود 1 نانو متر است.

مولكول اندازه پروتئينها بين 1 تا 20 نانومتر است .

طبق تعاريف مقياس طولي بين 1 نانومتر تا 100 نانومتر را مقياس نانو مي گويند

تصور كنيد كه در یکی از گرمترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشيد مستقیما به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هايی با شیشه های دودي برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک های فتوکرومیک دودی شوند.

کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران(آسفالت)

واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كي اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو»بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در کتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

خلاصه

در سال 1870 يک شيميدان بلژيکي با نام دسمت(Desmedt) اولين سنگفرش آسفالت واقعي را، که مخلوطي از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نيويورک ايجاد نمود. طراحي دسمدت در بزرگراهي در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداري قرار گرفت. سپس دسمدت خيابان پنسيلوانيا در واشينگتن را آسفالت کرد که سطح اين پرژه 45149 متر مربع بود.يکي از نمايندگان محلي کنگره به دسمدت گفت: ”اين کار هرگز عموميت نخواهد يافت.“ با اين حال، بر اساس تقاضاي رو به‌رشد بازار، پيش‌بيني مي‌‌شود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قير معدني به 107 ميليون تن برسد. در اين ميان آسفالت معلق بيشترين رشد را دارد. همچنين به عنوان نشانه‌اي از رشد اين محصولات در آينده، چندي است كه کار بر روي آسفالتي که در موقع خرابي خودش را تعمير کند، آغاز شده است. 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.

تاريخچه

در سال 1870 يک شيميدان بلژيکي با نام دسمت(Desmedt) اولين سنگفرش آسفالت واقعي را، که مخلوطي از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نيويورک ايجاد نمود. طراحي دسمدت در بزرگراهي در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداري قرار گرفت. سپس دسمدت خيابان پنسيلوانيا در واشينگتن را آسفالت کرد که سطح اين پرژه 45149 متر مربع بود.يکي از نمايندگان محلي کنگره به دسمدت گفت: ”اين کار هرگز عموميت نخواهد يافت.“

 

با اين حال، بر اساس تقاضاي رو به‌رشد بازار، پيش‌بيني مي‌‌شود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قير معدني به 107 ميليون تن برسد. در اين ميان آسفالت معلق بيشترين رشد را دارد. همچنين به عنوان نشانه‌اي از رشد اين محصولات در آينده، چندي است كه کار بر روي آسفالتي که در موقع خرابي خودش را تعمير کند، آغاز شده است.

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.

http://emjm.blogfa.com/cat-7.aspx

کاربرد فناوری نانو در صنعت ساختمان

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 *****ها 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 وروكش‌ها نيز منتشر شوند

توليدكنندگان نانو*****ها، 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 نانو*****هاي 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 نانو*****ها پاك بودن آب و هواي خروجي از ساختمان‌ها را تضمين مي‌كنند، اثرات زيست‌محيطي نانوذرات بايستي به وسيله

معماران و محققان مورد بررسي قرار گيرد

ریسکهای اجتماعی

در صورتي كه حسگرها بسيار رايج شوند نوع كاملاً متفاوتي از ريسك ممكن است به وجود آيد

ممكن است با استفاده گسترده از عناصر هوشمند در ساختمان‌سازي،‌ حريم خصوصي افراد در معرض خطر قرار گيرد. هم‌اكنون فناوري‌هاي بدون سيم مانند تلفن‌هاي همراه براي استفاده‌كنندگان در حال گسترش مي‌باشد. در اسپانيا، مكزيك و آمريكا ساكنان ساختمان‌ها از طريق تراشه‌‌هاي كار گذاشته شده در ساختمان‌ها كنترل مي‌شوند. با گسترش فناوري‌هاي كنترل كننده پاسخ استفاده كنندگان چه خواهد بود؟

درباره حريم خصوصي افراد، سئوالي كه مطرح مي‌شود اين است كه چه كسي محيط ساختمان‌ها را كنترل مي‌كند و اين عمل را چطور انجام مي‌دهد؟ اگرچه عناصر ساختمان‌ها مناسب با سلايق استفاده كنندگان و شرايط محيطي مي‌گردد ولي مسائل مربوط به كنترل ساختمان ها مي‌تواند به عنوان يكي از مشكلات اساسي مطرح باشد. براي مثال فناوري نانو اين امكان را به وجود آورده است تا ميزان شفافيت شيشه‌هاي پنجره‌هاي ساختمان ها مطابق با سلايق استفاده‌كنندگان تغيير كند، ولي سؤالي كه مطرح است اين است كه چه كسي ميزان شفافيت شيشه‌ها را كنترل مي‌كند؟

معضلاتي كه پذيرندگان اوليه کاربردهاي اين فناوري با آن مواجه‌اند

با استفاده از نانومواد و فناوري نانو در ساختمان‌سازي همه استفاده‌كنندگان اين فناوري نوظهور با مشكلاتي مواجه خواهند شد. سؤالي كه در اين جا مطرح است اين است اگر حادثه بدي رخ دهد آيا ريسك‌هاي فناوري نانو مورد توجه قرار مي‌گيرد؟ بايد به خاطر داشت كه توسعه‌دهندگان فناوري نانو در ابتدا از مزاياي اين فناوري بسيار صحبت نمودند. اما آنچه كه بديهي به نظر مي‌رسد اين است كه تا به امروز به همه جنبه‌هاي نانومواد و فناوري‌نانو توجه نشده است. لذا بايستي ترسي از توسعه نانومواد و فناوري‌نانو نداشته باشيم زيرا كه فناوري‌نانو دربرگيرنده فرصت‌هاي ارزشمندي براي بهبود عملكرد ساختمان‌ها، سلامت استفاده‌كنندگان و كيفيت محيط‌زيست مي‌باشد .

منبع:interestingphysic
http://www.iran-eng.com/showthread.php?t=12514

استفاده از فناوري نانو براي پيشگيري از ريزش پل‌ها

محققان دانشگاه «ميشيگان» موفق به ساخت پوششي از جنس نانو لوله‌هاي كربني شده‌اند كه به ادعاي آنها مي‌توانند مانع از تكرار سوانحي مانند ريزش پل I-35 بر روي رودخانه «مي سي سي پي» و يا وارد شدن آسيب به هواپيماها و فضاپيماها شود.

به گفته جروم لينچ، استاديار دانشگاه ميشيگان و مسؤل اين تحقيق، اين پوشش فناوري برتر از لايه‌هايي از پليمر با شبكه‌هايي از نانو لوله‌هاي كربني ظريف ساخته شده است و مي‌تواند الكترون‌ها را در سرعت‌هاي پرتابي هدايت كند.

اين لايه باريكتر از يك تار موي انسان است اما به بازرسان و متخصصان امكان مي‌دهد كه بدون آزمايش كردن فيزيكي بتوانند از نزديك صحت و سلامت يك پل يا يك ساختمان را كنترل كنند.

در اين روش هيچ نيازي به مداخله انسان نيست، فقط وقتي اين فناوري نانو در جايي به كار گرفته شود، پوششي در اختيار خواهيم داشت كه در هر زماني كه تحريك شود، در برابر عوامل محيطي واكنش نشان خواهد داد.

اين لايه‌ها ويژگي‌هاي حسي متفاوتي دارند، براي مثال يك لايه ممكن است نسبت به خاصيت اسيدي فلز و لايه ديگر به شكستگي‌ها يا كشيدگي‌ها حساسيت داشته باشد.

وقتي شكستگي يا كشيدگي بر روي پل يا ساختمان اعمال شود رفتار الكترون‌هايي كه از ميان لايه عبور مي‌كنند تغيير مي‌كند.

به منظور جمع‌آوري اين تغييرات كه در صورت بروز حادثه ايجاد مي‌شوند دانشمندان از الكترودها يا گره هاي بي‌سيم استفاده مي‌كنند كه در طول ساختار پل تعبيه شده‌اند.

هر گره داراي يك رايانه ظريف است كه اطلاعات به دست آمده از شبكه هاي نانولوله را تحليل و بررسي مي‌كند و به صورت دوره‌يي سيگنال‌هايي را از طريق يك شبكه بي‌سيم به نزديكترين سرور رايانه‌يي ارسال مي‌كند.

به اين ترتيب متخصصان مي‌توانند از راه دور هر گونه آسيب احتمالي وارد شده به پل را در همان مراحل بسيار اوليه و پيش از وقوع حادثه شناسايي و در نتيجه پيشگيري كنند.

در مورد فضاپيماها هم به اين ترتيب است كه فضانوردان مي‌توانند با استفاده از اين پوشش از داخل شاتل و بدون نياز به پياده روي‌هاي خطرناك فضايي، آسيب‌هاي احتمالي وارد شده به شاتل را بازرسي كنند

 

 

 

انقلاب فناوري‌نانو در معماري

دانشجويان دانشگاه ايالتي بال با همكاري موسسه فناوري ايلينويز ساختمان‌هايي را طراحي مي‌كنند كه در آنها از نانومواد استفاده مي‌شود. انتظار مي‌رود اين ساختمان‌ها در طي 20 سال آينده به طور انبوه ساخته شوند.

اين ساختمان‌ها در برگيرنده قطعات مبتني بر ساختار نانولوله‌هاي كربني، روشنايي مبتني بر نقاط كوانتومي و نانوسنسورهايي است كه به همراه هم ساختمان‌هايي مستحكم‌تر، هوشمندتر و حساس‌تر نسبت به محيط را ايجاد خواهند كرد.

در پروژه اين دانشجويان قطعات مبتني بر نانولوله‌ها، ساخت ديوارهاي شفا ف و مقاوم در برابر فشار، بدون نياز به ستون و حايل را ممكن مي‌سازند.

با استفاده از نقاط كوانتومي مي‌توان ديوارها و سقف‌هاي روشن يا با رنگ متغير از طريق زدن يك كليد، ساخت.

نانوسنسورها در عناصر ساختمان محيط هوشمندي را ايجاد مي‌كند كه درآن ساختمان‌ها دائما با محيط خود منطبق مي‌شوند.

لازم به ذكر است كه اين دانشجويان در پروژه خود ملاحظات اجتماعي و محيطي ناشي از فناوري‌نانو را نيز مدنظر قرار داده‌اند.

فناوري نانو در تصفيه آب

اين گزارش مروري بر انواع کاربردهاي فناوري‌نانو در تصفيه آب است و براي نشان دادن هر يک از آنها، به مثال‌هاي ويژه‌اي از نوآوري‌هاي فناوري‌نانو اشاره مي‌شود. بايد توجه داشت که در حوزه فناوري‌نانو محصولات و روش‌هاي بسيار ديگري توسعه يافته، يا مي‌توانند موجود باشند و اينکه بسياري از اطلاعات موجود درباره اين مثال‌ها مبتني بر اطلاعاتي است که توليدکنندگان منتشر کرده‌اند. از آن جايي که اين محصولات هنوز در بازار موجود نبوده، يا مدت زيادي از حضورشان در بازار نمي‌گذرد، مطالعات پراکنده‌اي نسبت به عملکرد آنها در حال انجام است. اين متن به اطلاعات موجود درباره خطرات ناشي از اين فناوري براي سلامت بشر يا محيط‌زيست اشاره ندارد؛ چرا که اين موضوع نيازمند بحث جداگانه‌اي است.

1. فناوري‌نانولوله‌هاي کربني

1-1. غشاهاي نانولوله‌‌اي

نانولوله‌هاي کربني مي‌توانند براي تشکيل غشاهايي با تخلخل نانومتري و داراي قابليت جداسازي آلودگي‌ها، به طور يکنواخت هم‌راستا شوند. تخلخل‌هاي نانومتري نانولوله‌ها اين فيلترها را از ديگر فناوري‌هاي فيلتراسيون بسيار انتخاب‌پذيرتر نموده است. همچنين نانولوله‌هاي کربني داراي سطح ويژه بسيار بالا، نفوذپذيري زياد و پايداري حرارتي و مکانيکي خوبي هستند. اگر چه چندين روش براي سنتز نانولوله‌هاي کربني استفاده شده است، غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند به وسيله پوشش‌دهي يک ويفر سيليکوني با نانوذرات فلزي به عنوان کاتاليست، که موجب رشد عمودي و فشردگي بسيار زياد نانولوله‌هاي کربني مي‌شود، سنتز شوند و پس از آن براي افزايش پايداري، فضاي بين‌ نانولوله‌هاي کربني را با مواد سراميکي پر نمود.

حذف آلودگي‌ها

مطالعات آزمايشگاهي نشان مي‌دهد که غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند تقريباً همه انواع آلودگي‌هاي آب را حذف کنند؛ اين آلودگي شامل باکتري، ويروس، ترکيبات آلي و تيرگي است. همچنين اين غشاها نويدي براي فرايند نمک‌زدايي و گزينه‌اي براي غشاهاي اسمز معکوس هستند.

مقدار تصفيه آب

اگر چه تخلخل نانولوله‌هاي کربني به طور قابل توجهي کوچک است، غشاهاي نانولوله‌اي نشان داده‌اند که به خاطر سطح داخلي صاف نانولوله‌ها، شدت جريان بيشتر يا يکساني نسبت به تخلخل‌هاي بسيار بزرگ‌تر دارند.

هزينه

با توسعه روش‌هاي جديد و بسيار مؤثر براي توليد نانولوله‌هاي کربني، هزينه توليد غشاهاي نانولوله‌‌اي به طور پيوسته کاهش مي‌يابد. بر اساس پيش‌بيني‌ برخي منابع، به دليل کاهش قيمت نانولوله‌هاي کربني، غشاهاي نانولوله‌اي بسيار ارزان‌تر از ساير غشاهاي فيلتراسيون، غشاهاي اسمز معکسوس، سراميک و غشاهاي پليمري خواهد شد. از آن جا که نانولوله‌هاي کربني شدت جريان بالايي را نشان مي‌دهند، فشار مورد نياز براي انتقال آب نسبت به فرايند نمک‌زدايي با اسمز معکوس، کاهش مي‌يابد و به دليل اين ذخيره انرژي، نمک‌زدايي با استفاده از فيلترهاي نانولوله‌اي بسيار ارزان‌تر از اسمز معکوس خواهد بود. انتظار مي‌رود غشاهاي نانولوله‌اي بسيار بادوام‌تر از غشاهاي متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهي فيلتراسيون را کاهش ندهد.

روش مصرف

غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند در گزينه‌هاي مشابهي به عنوان غشاهاي ميکروفيلتراسيون و اولترا فيلتراسيون استفاده شوند. مطالعات نشان مي‌دهد که اين مواد بادوام و در برابر گرما مقاومند و تميز کردن و استفاده مجدد از آنها ساده است و با استفاده از فرايند اولتراسونيک و اتوکلاو درC ْ121 در مدت 30 دقيقه تميز مي‌شوند.

 

توضيحات تکميلي

انتظار مي‌رود در پنج الي ده سال آينده، شاهد ورود غشاهاي نانولوله‌اي نمک‌زا به بازار باشيم. اخيراً محققان براي غلبه بر چالش‌هاي مرتبط با افزايش مقياس فناوري، فعاليت‌هاي تازه‌اي را مدنظر قرار داده‌اند.

1-2. نانوغربال‌ها

آزمايشگاه‌هاي سلدن (Seldon)، چندين طرح مبتني بر فيلترهاي نانوغربال را توسعه داده‌اند. نانوغربال از نانولوله‌هاي کربني جفت‌ شده با يکديگر تشکيل مي‌شود که روي يک زيرلايه متخلخل و منعطف قرار گرفته‌اند. و مي‌توان براي تشکيل فيلترهاي شبه‌کاغذي، آنها را روي يک زيرلايه صاف و يا لوله‌اي قرار داد، با اين کار توانايي پيچيده شده شدن به اطراف هر ساختار استوانه‌اي متداول و يا هر ساختار ديگري را به دست مي‌آورند، همچنين براي افزايش سطح فيلتر مي‌توان نانوغربال‌هاي مسطح را تا زد. اخيراً در آزمايشگاه‌هاي مذکور چندين نمونه فيلتر قابل حمل مبتني بر اين فناوري، براي خالص‌سازي آب ساخته شده‌اند؛ اين فيلترها در اندازه قلم بوده و تحت عنوان ابزارهاي فيلتراسيون ني‌مانند به نام water stick معروف هستند.

حذف آلودگي‌ها

از نانوغربال‌ها مي‌توان در حذف گستره وسيعي از ترکيبات آلي و معدني و يا مواد زيستي استفاده کرد. اين فيلتر مي‌تواند از چندين لايه نانولوله‌ کربني ساخته شود که هر لايه قابليت حذف نوع متفاوتي از ترکيبات را دارد. نانوغربال‌هاي مورد استفاده در Water stick توانايي حذف بيش از 99/99 درصد از باکتري‌ها، ويروس‌ها، کيست‌ها، ميکروب‌ها، کپک‌ها، انگل‌ها، و همچنين کاهش قابل توجه آرسنيک و سرب را دارند. نانوغربال‌هاي چند عملکردي نيز مانند ترکيبات معدني اعم از فلزات سنگين، کودها، فاضلاب‌هاي صنعتي و ديگر مواد مي‌توانند ترکيبات آلي از قبيل Pesticideها و herbicideها را حذف نمايند. همچنين مي‌توان فيلتر را با يک لايه ضدباکتري براي جلوگيري از تشکيل فيلم بيولوژيکي پوشاند. در حال حاضر آزمايشگاه‌هاي سلدن مشغول ارتقاي اين فناوري براي استفاده از آن در نمک‌زدايي از آب دريا هستند.

مقدار تصفيه آب

نانوغربال‌ها در مقايسه با ديگر ابزارهاي فيلتراسيون که داراي همان اندازه تخلخل هستند، به دليل خواص انتقال جرم سريع نانولوله‌ها، بدون استفاده از فشار، شدت جريان مناسبي را تأمين مي‌کنند. در يک فيلتر نمونه با قطر پنج سانتي‌متر شدت جريان شش ليتر بر ساعت مشاهده شده است. همچنين water stick براي تصفيه يک ليتر آب آلوده در 90 ثانيه طراحي شده است. اين فيلتر، در طول عمر مفيدش 200 تا300 ليتر آب توليد مي‌کند؛ اگر چه اين مقدار مي‌تواند با تغييرات پيش از فيلتراسيون افزايش داده شود.

هزينه

آزمايشگاه‌ سازنده براي قيمت‌گذاري water stick يک طرح رقابتي را با ديگر فناوري‌هاي مشابه در نظر دارد، تا اين فناوري براي مردم کشورهاي در حال توسعه قابل استفاده باشد.

روش مصرف

Water stick که شبيه ني نوشيدني طراحي شده آب تميز آشاميدني توليد مي‌کند. اخيراً نمونه‌اي از Water stick به گونه‌اي طراحي شده است که مي‌توان وسيله‌اي با فيلتر قابل تعويض را طراحي کرد. علاوه بر اين هنگامي که عمر مفيد اين فيلتر به پايان مي‌رسد، به طور اتوماتيک جريان را متوقف مي‌‌کند. نانوغربال‌ها توان ترکيب با ديگر ابزارهاي فيلتراسيون را دارند.

 

توضيحات تکميلي

آزمايشگاه‌هاي سلدن، سيستم توليدي را براي توليد نانوغربال‌ها توسعه داده‌اند؛ اين سيستم داراي صرفه اقتصادي، ظرفيت توليد 276 متر مربع بر ماه است که هر متر مربع براي 396 فيلتر کافي است. در حال حاضر پزشکان آفريقايي نمونه‌اي از water stick را مورد استفاده قرار داده‌اند.

2. روش‌هاي ديگر نانوفيلتراسيون

2-1. فيلتر آلوميناي نانوليفي

شرکت Argonide فناوري جاذب‌هاي نانوليفي را به صورت کارتريج فيلترهاي نانوسرام عرضه کرده است. اين جاذب‌ها از نانوالياف آلومينا با بار مثبت روي زيرلايه شيشه‌اي تشکيل شده‌اند. نانوالياف آلومينا سطح بيشتري نسبت به الياف متداول داشته و بار مثبت بالايي دارند که باعث جذب سريع‌تر آلودگي‌‌هاي باردار منفي از قبيل ويروس‌ها، باکتري‌ها و کلوئيدهاي آلي و غيرآلي مي‌شود.

حذف آلودگي‌ها

فيلترهاي نانوسرام بيش از 99/99 درصد ويروس‌ها، باکتري‌ها، انگل‌ها، ترکيبات آلي طبيعي، DNA و کدري را حذف مي‌کند، همچنين داراي قابليت جذب 9/99 درصد از نمک‌ها، مواد راديواکتيو و فلزات سنگين از قبيل کروم، آرسنيک و سرب را هستند، حتي اگر ذرات، نانومقياس و يا حل شده باشند. فيلترهاي نانوسرام در PH بين پنج تا 9 بهتر عمل مي‌کنند.

مقدار تصفيه آب

شدت جريان فيلترهاي نانوسرام بدون استفاده از فشار حدود يک تا 5/1 ليتر بر ساعت، به ازاي هر سانتي‌متر مربع از فيلتر است. حداکثر فشار چهار bar مي‌تواند به فيلتر اعمال شود که منجر به شدت جريان 9 تا ده ليتر بر ساعت به ازاي هر سانتي‌متر مربع از فيلتر خواهد شد. کارتريج فيلترهاي نانوسرام داراي يک طراحي تاخورده است که سطح آنها را افزايش مي‌دهد. همچنين طبق گزارش فيلتر به طور متوسط مقاومت عملکردي بالايي نسبت به غشاهاي بسيار متخلخل دارد.

هزينه

شرکت آرگونايد (Argonide) هزينه توليد فيلترهاي نانوسرام را ارزان اعلام کرده است؛ چرا که آنها مي‌توانند با استفاده از فناوري کاغذسازي توليد شوند. در حال حاضر هر متر مربع فيلتر ده دلار هزينه برمي‌دارد، که ممکن است اين مقدار به سه دلار برسد. کار تريج فيلترها به ازاي 20-200 فيلتر، وابسته به قطر آنها در حدود 37 دلار هزينه دارند. صفحات فيلتر مي‌توانند با قرار گرفتن در اطراف لوله‌هاي فلزي، بين دو فيلتر متداول و يا در يک نگهدارنده مجزا، هزينه نهايي فيلتر را کاهش دهند. فيلترهاي نانوسرام به جاي جمع‌آوري ذرات بسيار ريز بر روي سطح، آنها را جذب مي‌کنند؛ بنابراين نسبتاً عمر مفيد و طولاني‌تري دارند.

روش مصرف

مطابق با توصيه‌هاي شرکت آرگونايد، فيلترهاي نانوسرام به تصفيه‌هاي پيشين و يا پسين، تميز کردن، شارژ مجدد فيلتر و يا از بين بردن مواد زايد خطرناک نياز ندارند. اين فيلترها به طور همزمان ترکيبات شيميايي و بيولوژيکي را بدون استفاده از مواد گندزداي شيميايي و يا مواد منعقدکننده، حتي در آب‌هاي شور بسيار کدر حذف مي‌کنند.

توضيحات تکميلي

به گفته شرکت آرگونايد، فيلترهاي نانوسرام مي‌توانند پودرهاي بسيار ريز فلزي حذف شده را براي کاربردهاي صنعتي بازيافت کنند.

 

2-3. نانوالياف جاذب جريان

شرکت KX طرحي از فيلترهاي جاذب جريان شامل نانوالياف را با هدف استفاده در کشورهاي در حال توسعه بهره‌برداري کرده است. فيلتر شامل يک لايه پيش فيلتراسيون براي حذف چرک‌ها، يک لايه جاذب براي حذف آلودگي‌هاي شيميايي و يک لايه نانوالياف براي حذف آلودگي‌ها و ذرات کلوئيدي است. نانوالياف از چندين پليمر آب‌دوست، رزين‌ها، سراميک‌ها، سلولز، آلومينا و ديگر مواد ساخته مي‌شوند. اين فناوري در مقياس‌هاي خانگي و شهري قابل دسترسي است.

حذف آلودگي‌ها

طبق گزارش‌ها، فيلترهاي سطح فعال بيش از 99 درصد از باکتري‌ها، ‌ويروس‌ها، انگل‌ها، آلودگي‌هاي آلي و ديگر آلودگي‌هاي شيميايي را حذف مي‌کنند.

مقدار تصفيه آب

طبق اعلام شرکت‌ سازنده، مقياس خانگي فيلترهاي سطح فعال مي‌تواند به ازاي هر فيلتر375 ليتر آب را با سرعت چهار تا شش ليتر بر ساعت توليد کند. در مقياس روستايي بيش از 7500 ليتر بر روز با سرعت 6/5 ليتر بر دقيقه توليد مي‌کند. در مقياس روستايي هر فيلتر براي بيش از 95 هزار ليتر آب مؤثر است.

هزينه

انتظار مي‌رود فيلترهاي خانگي شش تا11 دلار فروخته شوند و فيلترهاي جايگزين براي آنها 8/0تا9/0 دلار هزينه دربر خواهد داشت؛ يعني 002/0 دلار به ازاي هر ليتر آب. همچنين فيلترهاي روستايي بين 100 تا 150 دلار هزينه خواهند داشت که تقريباً 0003/0 دلار به ازاي هر ليتر است.

 

 

روش مصرف

طراحي فيلترهاي سطح فعال به گونه‌اي است که بدون استفاده از تجهيزات وسيع، يا نگهدارنده به‌آساني قابل استفاده باشند.

3. سراميک‌هاي نانو‌حفره‌اي، کِلِي‌ها و ديگر جاذب‌ها

3-1. غشاي سراميکي نانوحفره‌اي

شرکت آلماني AG Nanovation، طرحي از فيلترهاي سراميکي نانوحفره‌اي را تحت عنوان Nano pore و سيستم‌هاي فيلتراسيون غشايي را با مقياس‌هاي متنوعي عرضه نموده است. فيلترهاي غشايي Nano pore از نانوپودرهاي سراميکي روي مواد پايه از قبيل آلومينا تشکيل شده‌اند و در اندازه‌هاي متفاوت و در دو شکل لوله‌اي و مسطح موجود هستند. اين محصولات با استفاده از نانوپودرهاي سراميکي شرکت و تحت فرايندهاي پيوسته توليد مي‌شوند.

حذف آلودگي‌ها

طبق ادعاي شرکت سازنده، فيلترهاي غشايي Nanopore باکتري‌ها، ويروس‌ها و قارچ‌ها به طور مؤثر از آب حذف مي‌کنند. علاوه بر اين آزمايش‌هاي کيفي آب، Coliformها، fecal coliformها، Salmonella يا streptococci را در آب تصفيه شده نشان نمي‌دهند.

مقدار تصفيه آب

مقدار آب توليدي وابسته به اندازه و شکل فيلتر و کيفيت آب تصفيه شده است. يک واحد فيلتراسيون با ابعاد cm 15× 60×120 سطحي معادل با 2 m 11 ايجاد کرده، مي‌تواند 8 هزار ليتر آب آلوده را در روز تصفيه کند.

 

هزينه

‌توليد سيستم‌هاي فيلتراسيون غشايي بر مبناي pore Nano با فرايندهاي پيوسته که همزمان تمامي لايه‌هاي فيلتر مونتاژ مي‌شوند، ارزان است؛ هنگامي که تمامي هزينه‌هاي فيلتراسيون که شامل حفظ، ‌جايگزيني فيلترها، تميز کردن عوامل و هزينه‌هاي عملياتي است، با مواردي از قبيل عمر طولاني‌تر فيلتر، پايداري بيشتر و تميز کردن کمتر همراه شوند، هزينه اين فيلترها با فيلترهاي پليمري قابل رقابت مي‌گردد.

روش مصرف

فيلترهاي غشايي Nano pore با توجه به خواص ضدرسوبي بسيار شديد خود نياز به تميزسازي مکرر ندارند. همچنين مي‌تواند به جاي پاکسازي شيميايي با بخار استرليزه شود. غشاهاي Nano pore نسبت به آلودگي‌هاي قارچي و باکتريايي، اصطکاک، اسيد و بازهاي غليظ شده، دماي بالا و اکسيداسيون مقاوم هستند.

3-2. تک‌لايه‌هاي خودآرا روي پايه‌هاي مزوپروس (SAMMS)

آزمايشگاه ملي پاسيفيک نورث وست (PNNL) تک‌لايه‌هاي خود آرا روي پايه‌هاي مزوپروس را توسعه داده است. اين فناوري از مواد سراميکي يا شيشه‌اي با تخلخل نانومتري شکل گرفته است؛ به طوري که تک‌لايه‌اي از مولکول‌ها مي‌توانند به يکديگر متصل شوند. تک‌لايه و لايه مزوپروس، قابليت برنامه‌ريزي شدن براي حذف آلودگي‌هاي خاصي را دارند. SAMMS نسبت به بسياري از غشاها و فناوري‌هاي جاذب ديگر، جذب سريع‌تر، ظرفيت بالاتر و انتخاب‌پذيري بهتري را از خود نشان داده است. SAMMS براي حذف آلودگي‌هاي فلزي از آب آشاميدني، آب‌هاي زيرزميني و فاضلاب‌هاي صنعتي طراحي شده است.

 

حذف آلودگي‌ها

PNNL مدعي است که SAMMS 9/99 درصد از جيوه، سرب، ‌کروم، آرسنيک، ‌کادميم، فلزات پرتوزا و ديگر سموم فلزي را جذب مي‌کند. همچنين طبق گزارش‌ها، SAMMS مي‌تواند براي حذف فلزات خاصي برنامه‌ريزي شود؛ ولي برخي فلزات از قبيل کلسيم، منيزيم و روي را حذف نمي‌کند. SAMMS براي حذف آلودگي‌هاي زيستي، يا آلي مؤثر نيست.

مقدار تصفيه آب

از SAMMS مي‌توان در گستره وسيعي از کاربردها از تصفيه آب مصرفي گرفته تا تصفيه فاضلاب‌هاي صنعتي، استفاده کرد. اين فيلترها سطح ويژه‌اي در حدود 600 تا هزار متر مربع به ازاي هر گرم دارند. توليد هر کيلوگرم SAMMS، 150 دلار هزينه دارد که با نمونه‌اي از رزين تعويض يوني با هزينه 42 دلار و کربن فعال با هزينه 78/1 دلار به ازاي هر کيلوگرم قابل مقايسه است. همچنين براي حذف يک کيلوگرم جيوه، 13 کيلوگرم SAMMS مورد نياز است و در مقابل، 154 کيلوگرم رزين تعويض يوني و 40 هزار کيلوگرم کربن فعال مورد نياز خواهد بود.

روش مصرف

[align=justify]SAMMS[size=large][font=2 Zar] به پودري شکل و اکسترود شده است که مي‌تواند براي فيلترهاي تعويض يوني مناسب باشد. اين فيلترها

[soolltani]

یکی دیگر از جذاب‌ترین گجت‌های مدیریت هوشمند ساختمان، قفل دیجیتال است. شما می‌توانید با استفاده از قفل هوشمند، درب منزلتان را با گزینه‌های متعددی باز و بسته کنید. سنسورهای بیومتریک، رمز عددی، کارت و یا کلید فیزیکی از گزینه‌هایی هستند که شما می‌توانید با استفاده از آن‌ها درب منزلتان را باز کنید، همچنین این گزینه ها بر روی قیمت قفل دیجیتال نیز تاثیرگذار هستند.