От атомов до городов

В отечественном научном сообществе весьма распространено мнение, что строительное материаловедение непосредственно не связано ни с «нанодисциплинами», ни с созданием наноструктурированных материалов. Считается, что принадлежностью к нанотехнологиям обладают «более фундаментальные» научные области. Возможно, подобной точкой зрения можно объяснить то, что в «Белой книге по нанотехнологиям» строительная отрасль не упомянута ни одним словом [1]. Но так считают не все.

Интересно

Знаете ли вы, что ...

Как утверждают биологи, человеческое тело состоит примерно из ста триллионов клеток. При этом самый короткий срок жизни (не более двух дней) имеют клетки кишечного эпителия, насколько дольше живут эритроциты. Однако есть и такие клетки, которые живут столько же, сколько и организм в целом. К ним относятся нейроны, а также некоторые клетки скелетных мышц

Смотрите также

  • Физические и химические про ... Современные жидкостные ракетные двигатели, принципы работы которы ...   подробно
  • Золотое сечение в квантовом ... Ученые из Центра материалов и энергии Гельмгольца в Берлине вмест ...   подробно
  • Наночастицы против гриппа Наночастицы диоксида титана разрушают вирус гриппа. Этот процесс ...   подробно
  • Нанолитография Ученые из Технологического института Джорджии разработали метод н ...   подробно

Новинки

другие новинки
PODClubИнновацииНанотехнологии → От атомов до городов

Применение нанотехнологических подходов и наносистем при производстве строительных материалов – это новый подход к выбору сырья, технологий, формированию структуры строительных композитов. А новые материалы – это новые рынки, увеличение объема продукции и расширение ее ассортимента. Это повышение конкурентоспособности отечественной продукции. Это и решение важных проблем современности – энергосбережения и снижения техногенного прессинга индустрии строительных материалов на окружающую среду.

Следует отметить, что основная масса строительных материалов наносистемна по своей сущности. Так, формирование прочностных свойств, отражающих эксплуатационные характеристики композиционных материалов, например бетона, происходит именно на наноразмерном уровне при гидратационном (композиционные материалы) либо высокотемпературном (керамические материалы) минералообразовании и переходе в кристаллическое состояние матрицы композита. Современные строительные композиционные материалы – это поликомпонентные системы, включающие в себя различные специализированные вяжущие, химические модифицирующие добавки, наноразмерные кремнезем и силикаты, другие ультрадисперсные разнофункциональные минеральные компоненты, специальные заполнители, микроволокна и т.д.

Строительное материаловедение, в отличие от других направлений науки о материалах, имеет дело, пожалуй, с объектами максимальной степени сложности.

Для них характерны:

- выраженная полифазность как минерально-сырьевой компоненты технологического цикла производства строительных материалов, так и финальной продукции – композиционных материалов;

- полидисперсность этих компонент во всем масштабном диапазоне (нано-, мезо-, микро- и макроуровни структурной организации вещества);

- существенный температурный диапазон синтеза и эксплуатации композиционных материалов;

- жесткие, задаваемые действующими нормативными документами требования к физико-химическим и эксплуатационным характеристикам (тепло- и звукопроводность, влаго- и морозоустойчивость и др.).

С подобными системами и материалами не работает ни одно из развивающихся направлений в области наноматериалов и нанотехнологий. При создании строительных композитов нового поколения необходимо учитывать специфику работы с наносистемами в строительном материаловедении, которая заключается в фазовой и размерной гетерогенности сырьевого комплекса и композита в целом. Т.е. при синтезе композитов строительного назначения приходится оперировать полиминеральными, полидисперсными, полиструктурными и полигенетическими системами, которыми представлена минерально-сырьевая база промышленности строительных материалов, регулируя при этом механизмы фазообразования на каждом из структурных уровней не изолированно, а в системе в целом.

Дорожные карты, или планы развития, строительных нанотехнологий на среднесрочную перспективу уже выносились на обсуждение научного сообщества [2–4]. Они содержат следующие основные задачи, решение которых возможно только с применением нанотехнологических подходов в строительном материаловедении:

- разработка катализаторов для низкотемпературного синтеза клинкерных минералов и ускоренной гидратации стандартных цементов. Применение механохимии и нанокатализаторов может способствовать коренному изменению современной технологии цементного производства, существенному уменьшению температуры клинкерообразования и даже реализации возможности холодного спекания клинкерных минералов в механохимических реакторах;

- создание оборудования для сверхтонкого измельчения и механохимической активации различных вяжущих, в т.ч. цемента;

- создание технологических основ золь-гель синтеза наноразмерных минеральных индивидов клинкерных компонент для создания произвольных (по минеральному составу) наноцементных вяжущих композиций;

- повышение эффективности традиционных классов строительных материалов (цемент, бетон, асфальтобетон и др.) путем модифицирования структуры;

- разработка новых классов наноструктурированных вяжущих различных типов твердения, в т.ч. на основе высококонцентрированных вяжущих систем;

- использование наноструктурированного минерального сырья для получения высокоэффективных строительных композитов;

- разведка месторождений нерудных полезных ископаемых на предмет поиска и определения запасов наноструктурированного минерального сырья для индустрии строительных материалов и т.д.;

- разработка нового поколения гиперпластификаторов для оптимизации реологических характеристик бетонных смесей и максимального уменьшения водоцементного отношения;

- создание системы теоретических представлений о явлениях (взаимодействиях, процессах) на наноуровне (гидратация вяжущих и формирование наноструктурных гидратных фаз, природа и источники адгезии, механизмы и процессы измельчения и т.д.);

- разработка теоретических и прикладных аспектов модификации вяжущих веществ синтетическими продуктами наноинженерной деятельности смежных отраслей – наночастицами, наностержнями, нанотрубками, наноувлажнителями, наносетками, нанопружинами и др.;

- синтез наноразмерных дисперсных систем с заданными составом, структурой и размерными характеристиками;

- модифицирование вяжущих веществ наноразмерными частицами полимеров, их эмульсиями или полимерными нанопленками;

- создание «биоимитирующих» материалов (имитирование структуры костной ткани и т.д.);

- разработка современного семейства неорганических наноструктурированных клеевых материалов строительного назначения с управляемыми параметрами агдезии к различным материалам и в различных средах;

- создание высокоэффективных покрытий, красок, тонких пленок (износостойкие покрытия, долговечные краски, самоочищающиеся термостойкие, антибликовые, антибактериальные, антивандальные и другие покрытия);

- создание новых многофункциональных материалов и изделий на их основе (изоляторы на основе аэрогеля, эффективные мембранные фильтры, катализаторы, самовосстанавливающиеся материалы и т.д.);

- создание концептуальных «интеллектуальных» материалов (использование микро/наносенсоров, например, наноэлектромеханические системы, биоподобные датчики, самоактивирующиеся структуры и т.д.);

- разработка методов и систем общего контроля и диагностики (контроль дефектов структуры и коррозии арматуры, оценка рисков разрушения материалов и конструкций при изменении условий окружающей среды и т.д.);

- разработка энергосберегающих отопительных элементов, основанных на наноструктурных проводящих композициях;

- метрологическое обеспечение работ в области строительных нанотехнологий.

Привлекательной особенностью развития наносистемного строительного материаловедения является то, что оно способно стимулировать научные и прикладные исследования в других научных отраслях, ориентированных на нанотехнологии, для которых важным фактором может служить возможность быстрой реализации результатов разработок в масштабах массового производства. Перспективы развития строительной наноиндустрии способны в обозримом будущем кардинально изменить представления и о формировании комфортной среды обитания – достаточно привести в качестве примера разрабатываемую западными специалистами концепцию «Nano-House».

Многоплановость и междисциплинарность проблем, с которыми сталкивается современное строительное материаловедение, приводит к тому, что автономные коллективы исследователей уже не в состоянии решать исследовательские, аналитические и технологические задачи. В качестве действенного инструмента начинает широко использоваться такая форма организационного сотрудничества, как консорциумы, – достаточно упомянуть такие центры, как NANOCOM (Шотландский центр нанотехнологий строительных материалов, Пайсли, Шотландия –www.nanocom.org), NANOC (Центр по применению наноматериалов в строительстве, Бильбао, Испания – www.nanoc.info/index.html), NANOCEM (Европейский научно-исследовательский консорциум по изучению нано- и микромасштабных явлений в цементе и бетоне – www.nanocem.org) и др.

В России консорциум «Наносистемы в строительном материаловедении» создан на базе БГТУ им. В.Г. Шухова [5]. Он объединяет аппаратурно-аналитический и творческий потенциал ряда институтов РАН, РААСН и вузов различной дисциплинарной направленности.

Основные задачи консорциума:

- разработка принципов использования природных наноиндивидов для синтеза неокомпозитов строительного назначения;

- изучение наноминералогии сырья промышленности строительных материалов;

- разработка технологий неокомпозитов с использованием наноразмерных модификаторов (для различных классов строительных материалов);

- модернизация технологий производства цементных и бесцементных композиционных вяжущих, с учетом применения природного, в т.ч. модифицированного, нанокристаллического сырья, для производства высокоэффективных композитов строительного и специального назначения;

- разработка бесцементных наноструктурированных высококонцентрированных вяжущих систем;

- создание силикатных автоклавных материалов, композиционных вяжущих, структурированных нанодисперсными модификаторами;

- разработка принципов проектирования высокопрочных микрозернистых бетонов;

- теоретическое структурно-топологическое обоснование рациональных (оптимальных) размеров частиц нанопорошков, синтезируемых из различных сырьевых материалов для получения строительных неокомпозитов;

- установление критериев критического и предельного размера наночастиц с учетом кристаллохимических параметров структуры;

- разработка полимерных нанокомпозитов с использованием природных и синтезированных нанокристаллических компонентов;

- разработка теплоизоляционных неавтоклавных пеногазобетонов с использованием нанокристаллических поризаторов и нанодисперсных модификаторов;

- создание упрочненных ячеистых теплоизоляционных стекломатериалов на основе стекла, ситаллов и нанодисперсных газообразователей;

- разработка физико-химических и технологических основ формирования силикатных наносистем для создания новых классов композиционных материалов путем проектирования и направленного регулирования процессов структурообразования, оптимизации физико-химических свойств и технологических параметров;

- разработка теоретических основ и технологии модифицирования золь-гель пленочных покрытий на основе нанодисперсного кремнезема с широким спектром функциональных добавок с целью производства полифункциональных композитов для теплозащиты зданий и сооружений, машиностроения, электротехники;

- наноструктурное управление свойствами дисперсных материалов и керамических композитов;

- синтез наноразмерных центров кристаллизации для эффективного структурообразования неорганических композитов;

- безопасность нанотехнологических направлений и производств;

- создание пигментов с использованием нанодисперсных компонентов из промышленных отходов.

Развитие наносистемного направления в строительном материаловедении немыслимо без соответствующего аналитического и метрологического обеспечения исследовательского процесса, позволяющего оперировать количественными характеристиками размерных факторов.

Ведущие мировые научные издания, ориентированные на проблематику строительного материаловедения, – Cement and Concrete Research, Journal of Materials Research, Journal of Materials Science, Journal of the American Ceramics Society, Journal of the Ceramic Society of Japan, Journal of Materials Chemistry, Materials Structure, Materials Science and Engineering, Nature Materials и др. - изобилуют публикациями зарубежных специалистов, активно использующих, наряду с традиционными, современные методы исследования как исходных, минерально-сырьевых, так и конечных – неокомпозиционных материалов. К таким методам относятся синхротронные рентгеновские дифракционные исследования структурного состояния поликомпонентных и гетероразмерных систем, позволяющие исследовать, в частности, процессы гидратационного твердения вяжущих в режиме реального времени; малоугловое рентгеновское и нейтронное рассеяние, дающее ценнейшую информацию об эволюции наноразмерных псевдокристаллических гидратных образований, например гелей гидросиликатов кальция и т.д.

Современный, наносистемный, этап развития строительного материаловедения предполагает широкое использование всего арсенала, достаточно тонких методов исследования. Практически все, что можно было разработать без их применения, сделано нашими предшественниками. Поэтому безобидное, на первый взгляд (и, к сожалению, традиционное для отечественной строительной отрасли), недостаточное финансирование в области обновления аппаратурной базы в относительно недалекой перспективе может иметь непредсказуемые и труднопоправимые последствия. В частности, на фоне исчерпания ресурсных остатков конкурентоспособных разработок советских времен существенное отставание в аналитическом обеспечении отечественных исследований может привести к ряду крайне негативных последствий.

И все же основная и объективная опасность на пути развития этого направления заключается в отсутствии высокопрофессиональных инженерных кадров нанотехнологов для строительной индустрии. Последствия недооценки этого фактора в кадровом обеспечении отрасли могут иметь несравненно более отрицательные последствия, чем систематическое недофинансирование поисковых и инициативных исследований.

Сложность организации образовательного процесса по подготовке инженерных кадров заключается в ее многоплановости, необходимости обеспечения междисциплинарной и мультипредметной подготовки. При этом существенная ориентация образовательного процесса должна осуществляться в междисциплинарную область фундаментального материаловедения строительных материалов. Система высшего профессионального образования РФ только предпринимает первые шаги по подготовке специалистов для строительной индустрии с нанотехнологической специализацией. Примером такой деятельности может служить опыт БГТУ им. В.Г. Шухова, в котором наличие такой формы объединения преподавательских ресурсов, как консорциум «Наносистемы в строительном материаловедении» позволяет успешно проводить подготовку специалистов и магистров по одноименной специализации (единственной в РФ) уже с 2005 г.

Изложение вопросов, относящихся непосредственно к этой сложнейшей теме, выходит за рамки данной статьи (оно будет предметом отдельного рассмотрения). Достаточно упомянуть, что для удовлетворения потребностей строительной отрасли в специалистах данного профиля необходимо формирование современной инфраструктуры образования в области «Наносистемы в строительном материаловедении» в масштабах страны. Одним из вариантов рационального решения вопроса кадрового обеспечения отрасли является разработка и реализация системы профессиональной переподготовки имеющегося кадрового потенциала отрасли. В частности, в настоящее время в БГТУ им. В.Г. Шухова по гранту образовательных проектов ГК «Роснанотех» впервые в стране проводится разработка программы опережающей профессиональной переподготовки и учебно-методического комплекса, ориентированных на инвестиционные проекты ГК «Роснанотех» в области производства бесцементных минеральных наноструктурированных вяжущих негидратационного твердения и композиционных материалов строительного назначения на их основе.

Крайне актуальной является необходимость разработки государственной концепции развития наносистемных технологий строительного материаловедения в РФ, способной объединить для решения вышеобозначенных задач государственные структуры, научное и бизнес-сообщество. В противном случае, упустив время, в этой области мы рискуем отстать навсегда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шевченко В.Я., Шудегов В.Е., Платэ Н.А. Концепция развития работ по нанотехнологиям. // Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий). М.: Изд. ЛКИ. 2008. С. 28–41.

2. Peter J., Bartos M. Nanotechnology in Construction: A Roadmap for Development. NSF Workshop on Nanomodification of Cementitious Materials: Portland Cement Concrete and Asphalt Concrete. August 8–11. 2006. http://www.uwm.edu/~sobolev/ACI//1-Bartos-ACI-F.pdf

3. Sobolev K. and Ferrada-Gutierrez M. How Nanotechnology Can Change the Concrete World: Part 2. American Ceramic Society Bulletin. № 11. 2005. P. 16–19.

4. Лесовик В.С., Строкова В.В. К вопросу о развитии научного направления «Наносистемы в строительном материаловедении». // Строит. материалы. № 9. 2006. Приложение «Строит. материалы: наука». № 8. С. 18–20.

5. Гридчин А.М., Лесовик В.С., Строкова В.В. Консорциум как инструментарий развития направления наносистемы в строительном материаловедении. / А.М. Гридчин, В.С. Лесовик, В.В. Строкова // Строит. материалы. № 8. 2007. С. 9–11.

В.В. Строкова, И.В. Жерновский, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Белгород, ул. Костюкова, 46, E-mail: s-nsm@intbel.ru

Журнал "Российские нанотехнологии" № 1-2 2010 год.