التقانات النانوية في الهندسة المدنية والبناء

تقانات نانوية في هندسة مدنية وبناء

-



التقانات النانوية في الهندسة المدنية والبناء

محمد أحمد السمارة 

التقانة النانوية هي استخدام جزيئات صغيرة جداً من المواد إما بمفردها وإما عن طريق معالجتها لإنشاء مواد جديدة أكبر حجماً. يعود ظهور تقانة النانو في ثمانينيات القرن العشرين إلى التطورات التجريبية مثل اختراع المجهر النفقي الماسح scanning tunneling microscope عام 1981 واكتشاف الفوليرين fullerenes عام 1985. وتمكن التقانة النانوية من تطوير مواد ذات خصائص محسنة، أو استخدامها لإنتاج مواد جديدة تماماً.

تتعامل التقانة النانوية مع الجسيمات على نطاق النانو، أي 10^-9م. يختلف العالم في "المقياس النانوي" عن "المقياس الجهري (الكلي)macro scale "؛ على سبيل المثال: تصبح الجاذبية غير مهمة، وتتولى القوى الكهرساكنة المسؤولية فتظهر التأثيرات الكمومية. ما إن تصبح الجسيمات بحجم النانو حتى تزداد نسبة الذرات الموجودة على السطح مقارنة بتلك الموجودة بالداخل؛ مما يؤدي إلى "تأثيرات النانو"، وهذا يحدد جميع الخصائص المعروفة على "المقياس الكلي"، ومن هنا تأتي قدرات التقانات النانوية.

التقانات النانوية في البناء

يتضمن استخدام التقانات النانوية في البناء تطوير مفهوم جديد لإماهة جزيئات الإسمنت، واستخدام المكونات النانوية، مثل الألومينا والسليكا والجسيمات النانوية الأخرى. وبمساعدة التقانات النانوية، تصبح الخرسانة أقوى وأكثر ديمومة وأسهل في صبها، ويصبح الفولاذ أكثر صلابة، ويتم تنظيف الزجاج ذاتياً، وتصبح الدهانات أكثر عزلاً وطاردة للماء.

لقد برز جسيمان بحجم النانو في تطبيقاتهما في مجال مواد البناء، وهما ثنائي أكسيد التيتانيوم TiO₂، وأنابيب الكربون النانوية  Carbon Nanotubes (CNTs). يستخدم الأول في تفكيك الأوساخ والملوثات العالقة على كل شيء من الخرسانة إلى الزجاج، ومن ثم السماح بغسلها بمياه الأمطار. ويكون الاستخدام الثاني لتقوية الخرسانة ومراقبتها، يبين الجدول (1) بعض تطبيقات المواد النانوية وآثارها في الهندسة المدنية.

تحتوي أنابيب الكربون النانوية (CNTs) على طبقة واحدة من الغرافين Graphene ملفوفة على شكل أسطواني، تسمى أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار Single-Wall Carbon Nanotube (SWCNT)، أو أكثر من طبقة واحدة، تسمى أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران Multi Wall Carbon Nanotube (MWCNTs) ، ويراوح قطرها بين 1 و100 نانومتر، ويمكن أن يصل طولها إلى عدة مليمترات، كما هو موضح في الشكل (1). وتعد الأنابيب النانوية الكربونية أقوى المواد المعروفة حتى الآن وأصلبها، فهي واعدة في تسليح المركّبات ذات الأساس الإسمنتي، وإذا ما قورنت بالفولاذ فإن معامل يونغ لها هو 5 مرات أكبر، والمقاومة 8 مرات أكبر، وتبلغ كثافتها 6/1 كثافة الفولاذ. وتوصيلها الحراري على طول محور الأنبوب مرتفع أيضاً.

(أ)	(ب)
الشكل (1)  (أ) أنبوب كربوني نانوي وحيد الجدار، (ب) أنبوب كربوني نانوي متعدد الجدران.

يُستعمل ثنائي أكسيد التيتانيوم على نطاق واسع صباغاً أبيض، يمكنه أكسدة الأكسجين أو المواد العضوية، فهو يُضاف إلى الدهانات أو الإسمنت، أو يُطبَّق على النوافذ أو البلاط أو غيرها من المنتجات للتعقيم وإزالة الروائح الكريهة لما يتصف به من خصائص مضادة للقاذورات، وله تأثير كبير في التقليل من تركيز الملوثات المحمولة بالهواء عندما يُدمج في مواد البناء الخارجية. إضافة إلى ذلك عندما يتعرض ثنائي أكسيد التيتانيوم للأشعة فوق البنفسجية يصبح جاذباً للماء بشكل متزايد، ومن ثم يمكن استخدامه في الطلاءات المضادة للضباب أو النوافذ ذاتية التنظيف.

التقانات النانوية والخرسانة

يُجرى كثير من تحليلات الخرسانة على المستوى النانوي من أجل فهم بنيتها باستخدام التقنيات المختلفة، مثل مجهر القوة الذرية (AFM) Atomic Force Microscopy، والمجهر الإلكتروني الماسح Scanning Electron Microscopy (SEM) ، والشعاع الإيوني المركز Focused Ion Beam (FIB). يعد فهم بنية الخرسانة وسلوكها على المستوى الأساسي مهماً ومناسباً جداً للتقانة النانوية.

إن أحد التطورات التي حققتها دراسة الخرسانة على المستوى النانوي هو تحسين تراص مكونات الخرسانة باستخدام السليكا النانوية؛ مما يؤدي إلى تكثيف بنيتها النانوية الدقيقة؛ ومن ثم تحسين خواصها الميكانيكية. ويتم التحكم في تدهور تفاعل هدرات سليكات- الكلسيوم الأساسي Calcium-Silicatehydrate (C-S-H) ، الناجم عن رشح الكلسيوم من الخرسانة في الماء، بإضافة السليكا النانوية إلى المواد ذات الأساس الإسمنتي، إضافة إلى منع تغلغل الماء في الخرسانة مما يؤدي إلى تحسين ديمومتها. ينجم عن الطحن عالي الطاقة لكلنكر الإسمنت البورتلاندي portland cement clinker والرمل القياسي انخفاض أكبر في حجم الجسيمات مقارنة بالإسمنت البورتلاندي العادي، ونتيجة لذلك تتحسن تعبئة الفراغات في الخرسانة، فتصبح مقاومتها للضغط 3 إلى 6 مرات أعلى (عند أعمار مختلفة).

ويستخدم ثناني أكسيد التيتانيوم طلاءً عاكساً ممتازاً؛ لأنه يفكك الملوثات العضوية والمركبات العضوية المتطايرة والأغشية البكترية بفضل تفاعلات تحفيزية قوية. إضافة إلى ذلك، فهو محب للماء، ومن ثم يعطي خصائص التنظيف الذاتي للأسطح المطبق عليها. حيث تنجذب مياه الأمطار إلى السطح وتشكل صفائح تجمع الملوثات وجزيئات الأوساخ التي كانت قد تحللت مسبقاً وتغسلها. تكون الخرسانة الناتجة بيضاء اللون وتحافظ على بياضها بفعالية كبيرة.

تُجرى بحوث لمعرفة فوائد إضافة الأنابيب النانوية الكربونية إلى الخرسانة؛ فقد تؤدي إضافة كميات صغيرة (1% بالوزن) من الأنابيب النانوية الكربونية إلى تحسين الخواص الميكانيكية لعينات تتكون من الإسمنت البورتلاندي والماء. وتبين أن الأنابيب النانوية المؤكسدة متعددة الجدران Multi-Walled Nanotubes (MWNT’s)   تعطي أفضل التحسينات على كل من مقاومة الضغط (+25 نيوتن/مم²) ومقاومة الانحناء (+8 نيوتن/مم²) مقارنة بالعينات المرجعية غير المسلحة. ومع ذلك ثمة مشكلتان تصاحبان إضافة أنابيب الكربون النانوية إلى أي مادة، وهما تكتل الأنابيب بعضها مع بعض بسبب وجود قوى جذب بينها، وضعف التماسك بينها وبين مصفوفة المواد المشكلة للكتلة. تستخدم تقنيات لتفكيك التكتل وتوزيع الأنابيب داخل المصفوفة الإسمنتية، وماتزال ثمة حاجة إلى عمل إضافي من أجل تحديد القيم المثلى لأنابيب الكربون النانوية وعوامل التشتيت في محددات تصميم الخلطة. إضافة إلى ذلك، مازالت تكلفة إضافة الأنابيب النانوية الكربونية إلى الخرسانة باهظة في الوقت الحالي.

يعد تغليف الخرسانة بالألياف أمراً شائعاً في الوقت الراهن لزيادة مقاومة العناصر الإنشائية الخرسانية الموجودة مسبقاً. يتضمن هذا الإجراء استخدام صفائح من ألياف (مصفوفة) تحتوي على جزيئات السليكا النانوية مع مقسِّ. تخترق هذه الجسيمات النانوية وتغلق الشقوق الصغيرة على سطح الخرسانة، وتشكل المصفوفات تماسكاً قوياً بين سطح الخرسانة والألياف المعززة.

طوِّرت في الآونة الأخيرة أجهزة استشعار، مثل المنظومات الكهرميكانيكية النانوية Nanoelectromechanical Systems (NEMS)، واستخدمت في المنشآت الخرسانية لإجراء تقييم دقيق في الزمن الحقيقي للمواد أو المنشآت، مثل التشقق والتأكل والإجهادات. يمكن تثبيت هذه المستشعرات (المحسات) بسهولة في المنشآت في أثناء فترة البناء. كما جرى استخدام الركام الذكي لمراقبة خصائص الخرسانة في عمر مبكر، مثل درجة الحرارة والرطوبة والمقاومة والرطوبة النسبية. علاوةً على ذلك يوفر مركب الأنابيب الكربونية والبولي كربونات النانوي تحذيراً مبكراً بشأن الأضرار الإنشائية المحتملة؛ لأنها تنتج تغيرات سريعة في المقاومة الكهربائية عندما يستشعر الجهاز مدخلات التشوه.

التقانات النانوية والفولاذ

يعد التعب (الكلل) fatigue مشكلة مهمة للفولاذ يمكن أن يؤدي إلى انهيار المنشأة عندما يتعرض الفولاذ للتحميل الدوري، كما هي الحال في الجسور أو الأبراج. يمكن أن يحدث هذا عند إجهادات أقل بكثير من إجهاد خضوع  المادة، ومن ثم تقصير كبير في العمر المفيد للمنشأة. تعد عوامل رفع الإجهاد مسؤولة عن بدء الشقوق التي ينجم عنها انهيار التعب، وقد أظهرت الأبحاث أن إضافة جزيئات النحاس النانوية تقلل من عدم استواء سطح الفولاذ؛ مما يحد من عدد رافعات الإجهاد، ومن ثم تشققات التعب.

عندما تتجاوز مقاومة الشد للفولاذ المارتينسيتي المقسى tempered martensite steel 1200 ميغا باسكال، فحتى كمية صغيرة جداً من الهدروجين تسبب هشاشة حدود حبيباته وقد تفشل مادة الفولاذ في أثناء الاستخدام. هذه الظاهرة -المعروفة باسم التمزق المتأخر- تعيق زيادة مقاومة البراغي الفولاذية، وتقتصر أعلى مقاومة لها على ما يراوح بين 1000 و1200 ميغا باسكال.

أظهرت الأبحاث التي أجريت على جسيمات الفاناديوم والموليبدينوم النانوية أنها تعمل على تحسين مشاكل التمزق المتأخر المرتبطة بالبراغي العالية المقاومة؛ وهذا نتيجة قيام الجسيمات النانوية بتقليل تأثيرات التقصف الهدروجيني، وتحسين البنية المجهرية للفولاذ نتيجة تقليل تأثيرات مرحلة السمنتيت بين الحبيبات. وثمة منتجان جديدان نسبياً - نتيجة لتطبيقات مختلفة للتقانة النانوية - متوفران اليوم هما ساندفيك نانوفليكس Sandvik Nanoflex والفولاذ المركب الدقيق Microcomposite Multistructural Formable Steel (MMFX) مقاومان للتأكل، ولكن لهما خصائص ميكانيكية مختلفة.

التقانات النانوية والطلاءات

 يتضمن الكثير من العمل في الطلاءات ترسيب البخار الكيميائيChemical Vapour Deposition (CVD) ، والغمسdip ، والرشspray  ، والطلاء بالبلازما plasma coating  من أجل إنتاج طبقة ملتصقة بالمادة الأساس، لإنتاج سطح يتصف بخصائص الحماية أو الوظيفة المطلوبة.

تتكون الطلاءات النانوية من مواد مكونة للفلم وأصباغ ومواد مالئة ومواد مضافة ومذيبات. وبالمقارنة مع الطلاءات العادية تتميز الطلاءات النانوية بإنتاجها إيونات سالبة لها تأثير إيجابي في صحة الإنسان؛ لأنها تتحلل وتمتص المواد الضارة في الهواء، مثل الفورم ألدهيد، كما أن لديها وظائف فريدة في التعقيم وفي مكافحة العفن، ولها وظيفة التنظيف الذاتي الفائقة، كما تقوم بالعزل الحراري ومقاومة الماء بجودة عالية.

 تُجرى الأبحاث التجريبية ونمذجة الطلاءات بهدف إمكانية الشفاء الذاتي self-healing بواسطة "التجميع الذاتي" self-assembly .

تُطبق التقانة النانوية على الدهانات والمواد العازلة بإضافة خلايا وإحداث مسام بواسطة جزيئات نانوية الحجم، مما يجعل مسارات التوصيل الحراري محدودة للغاية (قيم R معامل الناقلية الحرارية هي ضعف تلك الخاصة بالرغوة العازلة). ويستخدم هذا النوع من الطلاء للحماية من التأكل تحت العزل؛ لأنه كاره للماء ويطرد الماء من الأنابيب المعدنية، ويمكنه أيضاً حماية المعدن من تأثير المياه المالحة.

تُستخدم الخصائص الرائعة لجزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية مواد طلاء على الطرق؛ لأنها تفكك ملوثات الهواء العضوية وغير العضوية بعملية التحفيز الضوئي؛ وبذلك يكون للطرق دور في تحسين البيئة.

التقانات النانوية والزجاج

الزجاج الواقي من الحرائق هو تطبيق آخر للتقانة النانوية. يتحقق باستخدام طبقة منتفخة شفافة محصورة بين الألواح الزجاجية (طبقة بينية) مكونة من جسيمات نانوية من دخان السليكا SiO₂ وتتحول إلى درع للنار صلب وغير شفاف عند تسخينه.

يوجد معظم الزجاج في البناء على السطوح الخارجية للمباني، ويعد التحكم في الضوء والحرارة التي تدخل عبر زجاج المباني قضية استدامة رئيسية. تتمحور الأبحاث في التقانات النانوية حول أربع استراتيجيات مختلفة لمنع دخول الضوء والحرارة عبر النوافذ. يتم في الأولى تطوير طبقات طلاء رقيقة لزجاج النوافذ، وسطحية حساسة للطيف. ولهذه الطبقات القدرة على تصفية ترددات الضوء تحت الحمراء غير المرغوب فيها؛ فتقلل من اكتساب المباني للحرارة لكنه حل سلبي passive، وتعتمد الثانية الحل النشط active وهو دراسة التقنيات الحرارية التي تتفاعل مع درجة الحرارة وتؤمن العزل الحراري مع الحفاظ على الإضاءة الكافية. والاستراتيجية الثالثة هي تقنيات فوتوكرومية (متلونة ضوئياً) photochromic تتفاعل مع التغيرات في شدة الضوء عن طريق زيادة الامتصاص. وأخيراً، في الاستراتيجية الرابعة يتم تُطوَّر طلاءات إلكتروكرومية electrochromic (متلونة كهربائياً) تتفاعل مع التغيرات في الجهد المطبق باستخدام طبقة أكسيد التنغستن التي تقلل من شفافية الزجاج فيصبح أكثر تعتيماً.

التقانات النانوية في تنقية المياه

تستعمل المواد النانوية في تنقية المياه، مثل أنابيب الكربون النانوية وألياف الألومينا؛ وذلك للترشيح النانوي. كما تستخدم المسام النانوية في أغشية ترشيح الزيوليت zeolite، إضافة إلى المحفزات النانوية والجسيمات النانوية المغنطيسية. وقد ثبت تجريبياً أن امتصاص تركيز الكلور أعلى بكثير باستخدام التقانة النانوية مقارنة بالطريقة التقليدية للتنقية.

تُستخدم أجهزة الاستشعار النانوية، مثل تلك المعتمدة على أسلاك أكسيد التيتانيوم النانوية، أو جزيئات البلاديوم النانوية في الكشف التحليلي عن الملوثات في عينات المياه. ويمكن استخدام هذه الأجهزة لإزالة الرواسب والنفايات السائلة الكيميائية والجسيمات المشحونة والبكتريا ومسببات الأمراض الأخرى. ويمكن إزالة أي أثر من العناصر السامة، مثل الزرنيخ، والشوائب السائلة اللزجة، مثل النفط باستخدام التقانة النانوية. ويعتقد أن الأجيال القادمة من أجهزة معالجة المياه المعتمدة على التقانة النانوية ستستفيد من خصائص المواد النانوية.

التقانات النانوية والحماية من الحرائق

غالبًا ما يتم توفير مقاومة الحريق للمنشآت الفولاذية وذلك بطلائها بطبقة إسمنتية يجري تنفيذها بعملية رش على سطوحها. لكن الطلاءات الحالية القائمة على الإسمنت البورتلاندي لا تحظى بشعبية، لأنها سميكة، وتميل إلى أن تكون هشة، وثمة حاجة إلى إضافات البوليمر لتحسين الالتصاق بالفولاذ. لذا يمكن استخدام الإسمنت النانوي (المصنوع من جزيئات بحجم النانو) في إنتاج طلاء قوي ومتين، ويتحمل درجات حرارة عالية. ويتحقق ذلك بخلط أنابيب الكربون النانوية CNT&https://mail.arab-ency.com.sy/tech/details/1780/0#39;s مع المادة الإسمنتية لتصنيع مركبات من الألياف لها بعض الخصائص المميزة للأنابيب النانوية كالمقاومة.

أصبح استخدام المعالجات المدمجة في رأس كل كاشف في منظومات الكشف عن الحرائق أمراً راسخاً إلى حد ما، ويمكن أن يقود في المستقبل تطوير منظومات كهرميكانيكية نانوية (NEMS) إلى تحول المباني بأكملها إلى شبكة من أجهزة الكشف، حيث يتم تضمين هذه الأجهزة إما في العناصر أو على الأسطح.

التصنيف :

المجلد:

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية