Перспективы применения нанотехнологий в строительстве Кузьмина Вера Павловна, к.т.н., генеральный директор «Колорит- Механохимия», ООО т/ф , моб ,
НАНОТЕХНОЛОГИЯ (НТ). Термин и определение Пионер НТ Э.Дрекслер: НТ - технология дешевого производства устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой В настоящее время в строительстве под НТ понимают использование нанодобавок и нанопримесей, то есть нанообъектов (НО) в виде специально сконструированных наночастиц (НЧ), то есть частиц наномасштаба (НМ) с линейным размером менее 100нм.
Аллотропные формы углерода
Схема нуклеации возможного механизма образования сажи
НАНООБЪЕКТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА – ФУЛЛЕРЕНЫ Фуллерен С 60 - Это наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов, в нём углеродный многогранник состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Каждый атом углерода в С60 принадлежит одновременно 2-м шести- и 1-му пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны. Это подтверждается ЯМР- спектром изотопа С13, содержащим лишь одну линию. Длина связей С-С различна. Связь С=С, являющаяся общей стороной двух шестиугольников, нм, а связь С- С, общая для шести- и пятиугольника нм Белоусов В.П., Будтов В.П., Данилов О.Б., Мак А. А Оптический журнал, т.64, 12, с.3.
НАНОХИРУРГИЯ Рис. 1. Химически открытый фуллерен с двадцатичленным кольцом Рис.2. Химически открытый фуллерен с шестнадцатичлен- ным кольцом
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ Патент RU Патент RU Патент RU
НАНООБЪЕКТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА – НАНОТРУБКИ Углеродная нанотрубка (англ. сarbon nanotube) – цилиндрическая молекула, состоящая из одних лишь атомов углерода. Имеет диаметр около 1 нанометра и длину от одного до сотен микрометров. Внешне выглядит как свернутая в цилиндр графитовая плоскость. Впервые обнаружена Сумио Ииджимой (корпорация NEC) в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена С60.
НАНООБЪЕКТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА – НАНОТРУБКИ Нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Многослойные нанотрубки представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую, Расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Различают прямые (ахиральные) нанотрубки и спиральные (хиральные) нанотрубки.
СВОЙСТВА НАНОТРУБКИ Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Нанотрубки на порядок прочнее стали. Способ получения нанотрубок: термическое распыление графитовых электродов в плазме дугового разряда. Свойства нанотрубок: легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Стоимость нанотрубок: один грамм стоит несколько сотен долларов США.
МОДИФИКАЦИЯ НАНОТРУБОК Модификация нанотрубок выполняется за счёт линейного или объёмного введения различных атомов в межплоскостное расстояние – 0,34 нм., как с внешней так и с внутренней стороны поверхности нанотрубки. Получают различные нанотрубки, например, металлизированные.
Металлизированные нанотрубки Все переходные элементы- металлы имеют низкую электроотрицательность. Все элементы проявляют переменные степени окисления. Начиная с III группы. Низшая степень окисления имеет основной характер, высшая – кислотный, средние – амфотерный. Все элементы образуют комплексные соединения.
КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, мас. %: ЗАЯВКА НА ИЗОБРЕТЕНИЕ RU / от Минеральное вяжущее (цемент, известь, гипс или их смеси) Углеродные кластеры фуллероидного типа - 0, ,0 Вода - Остальное технологические добавки, взятые в количестве мас. ч. на 100 мас. ч. минерального вяжущего
Углеродные кластеры фуллероидного типа полидисперсные углеродные нанотрубки; полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц нм; смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С60.
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН Патент Высокопрочный бетон, включающий портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку и воду, в качестве кремнеземсодержащего компонента содержит золь H 2 SiO 3 с плотностью =1,014 г/см 3, рН=5-6 и в качестве добавки – «ДЭЯ-М» при следующем соотношении компонентов, мас.%: Портландцемент 44,40-48,00 Песок 20,00-22,20 Щебень 20,00-22,20 кремнеземсодержащий компонент 0,43 - 0,48 добавка ДЭЯ-М 0,43 - 0,48 Вода 10,34-11,04
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ НОНОСИСТЕМЫ «ЗОЛЬ-ГЕЛЬ» Кремнеземсодержащий компонент золь H 2 SiO 3 и добавку «ДЭЯ-М» Добавка «ДЭЯ-М» ТУ : ФДП 4,5 - 5,0 указанная окалина 5,0 - 6,0 NaF 0,75 - 1,0 NaОН 0,25 - 0,5 Вода остальное - фильтрат дрожжевого производства (ФДП), сод.сухих веществ, 4,5 – 5,0 мас.% рН=5, -окалина металлургического производства, содержащей Fe 3 O 4, в количестве, большем или равном 70 мас.% с тонкостью помола, определяемой по остатку на сите %, *) Гидролиз – реакция ионного обмена между веществами и водой. Гидратация – физико-химический процесс взаимодействия растворённых веществ с водой.
Структуры, организованные в результате действия ПАВ: 1 – мономеры ПАВ; 2 – мицелла; 3 – цилиндрическая мицелла; 4 – гексагонально упакованные цилиндрические мицеллы; 5 – ламелярная мицелла; 6 – гексагонально упакованные капли воды в обратной мицеллярной системе.
СОСТА И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА патент
ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ НАНОБЕТОНА ОТ РАСХОДА ЦЕМЕНТА
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН. Патент Портландцемент 43,58-47,08 Песок 14,43-15,69 Щебень 25,70-27,84 Кремнеземсодержащий компонент с плотностью =1,014 г/см3, рН 5...6, золь Н 2 SiO 3 0,25 – 027 K 4 Fe(CN) 6 калий железистосинеродистый 0,44 - 0,47 Вода 12,10-12,15
КИНЕТИКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА НОРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НАНОБЕТОНА
УСАДОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ НАНОБЕТОНА с добавкой золя Н 4 SiO 4
Месторождение природного наноминерала шунгита в Кижах РФ. Физико – химическая модель (б) шунгитового углерода (увеличение х200000) 1 – фуллерены изотопа С 12 и С 13 ; 2 – металлы; 3 – ПАВ; 4 – кристаллическая вода; 5 – глобулярная пора; 6 – межглобулярная пора; 7 – глобула
РАЗНОСТИ ШУНГИТОВ Характеристи ка вещества Разности шунгитов IIIIIIIVV Содержание углерода, % Количество золы, %
СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В МАРОЧНОМ БЕТОНЕ НОРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ Время начала эксперимента, сутки Суммарное время выщелачив ания, сутки Суммарная доля нуклида, перешедшего в выщелачивающую дистиллированную воду, % от исходного Cs – 137 (цезий) Sr – 90 (стронций) Pu – 239 (плутоний) Am – 24 (америций) Без добавки микрокремнезема ,03 29,6 43,5 47,5 0,30 0,66 0,96 0,11 0,68 2,39 3,17 0,24 0,82 2,47 3,78 С добавкой микрокремнезема 10% от цемента ,8 2,4 6,4 6,6 0,004 0,04 0,036 0,042 0,01 0,002 0,027 0,03 н/о 0,017 0,023
Количественная характеристика влияния добавок микрокремнезема, суперпластификатора и условий твердения на пористость цементного камня Серии образцов матрицы. Кол-во МК % Ц, условия твердения Объем пор ( V/V), % Поры геля 5Å
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН Патент Состав, масс. %: портландцемент 20,60-27,40; песок 21,80-24,70; щебень 43,10-44,90; Нано-добавка 0,60-0,80; вода 7,10-9,00.
НАНО-ДОБАВКА Состав, мас.%: золь гидрооксид железа (III ) с плотностью =1,021 г/см3, рН 4,5 Fe(ОН) ,85-85,20; K 4 [Fe(CN) 6 ] гексоцианоферрат (II) калия - 0,80 - 0,85; суперпластификатор С ,00-14,30
СОСТАВ И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА патент
НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ПРОНИКНОВЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
ВЛИЯНИЕ НЧ на ДНК Токсичностьзависит от концентрации НЧ и площади их поверхности, а не от массы/объема. Токсичность зависит от физико-химической формы НЧ. Токсичность НЧ зависит от НС, в которую входит НЧ.
БИОКИНЕТИКА НАНОЧАСТИЦ в организме человека
НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ВЫВОДЫ 1. НО (фуллерены, нанолуковицы, нанотрубки, дендриты, нанокристаллы и др.), поступающие в живой организм, являются токсичными и способны повреждать биомембраны, нарушать функции биомолекул, в том числе молекул генетического аппарата клетки, клеточных органелл (митохондрий), приводя к нарушению регуляторных процессов и гибели клетки. 2. Механизм воздействия НО на живые структуры связан с образованием в их присутствии свободных радикалов, в том числе пергидратов, а также с возникновением комплексов с нуклеиновыми кислотами. 3. В ряде случаев для рассмотренной области концентраций НО наблюдалась линейная зависимость эффекта от дозы. В качестве дозы принимали общую поверхность НЧ в исследуемом органе, ткани или объеме. 4. Эффект для живого организма проявляется в возникновении воспалительных процессов в отдельных органах и тканях, в снижении иммунитета, в возможном возникновении хронических воспалений, которые, в свою очередь, способны вызывать воспаление легких, рак, сердечнососудистые и иные заболевания, приводящие к снижению качества и продолжительности жизни человека.
НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ВЫВОДЫ 5. Отмечено воздействие НО (фуллеренов,нанотрубок, нанокристаллов) на организмы (микроорганизмы, ракообразные, рыбы, млекопитающие), приводящее к их гибели. 6. Воздействие НО на экосистемы не исследовано. 7. Последствияхронического (долговременного) воздействия НО на человека и живые объекты не исследованы. 8. Методы оценки, анализа и управления риском, разработанные вобласти радиационной безопасности и токсикологии, могут быть использованы для анализа, оценки и управления рисками НТ с соответствующими модификациями, учитывающими специфику конкретных НО.
ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В РФ 1.Формирование рынка потребления. 2.Повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. 3.Разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов. 4.Обеспечение перехода от микротехнологий к промышленным нанотехнологиям. 5.Развитие фундаментальных исследований нанотехнологий. 6.Создание исследовательской инфраструктуры. 7.Создание инновационных и кредитных механизмов финансирования работ. 8.Подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для нанохимического производства.
Перспективы применения нонаобъектов в строительных технологиях Применение металлизированных нанотрубок для получения нанофибробетонов позволит лить пространственные бетонные конструкции сложной конфигурации при соблюдении требований СНиП Применение нанообъектов для формирования структуры бетонных конструкций для защиты от лазерного излучения. Применение нанообъектов для получения наноструктурированных функциональных добавок для бетона.
Перспективы применения нонаобъектов в строительных технологиях Применение новых технологий сдерживается очень длительными традиционными натурными испытаниями эксплуатационных свойств изделий нового поколения в лабораториях научно- исследовательских институтов, которые не готовы выполнять работы на современном уровне и практически перекрыли доступ новым технологиям в строительство. Применение новых бетонов в промышленном и гражданском строительстве влечёт за собой изменение всех технологических приёмов и способов производства в смежных отраслях. Несмотря на то, что нанотехнология имеет огромный потенциал применения в строительных технологиях и, как говорят эксперты, кардинально изменит общество XXI века, ученые должны дать исчерпывающую оценку всем достижениям в этой области и определить, какое влияние они окажут на экосистему и, прежде всего, на здоровье человека.