Перспективы применения нанотехнологий в строительстве Кузьмина Вера Павловна

Перспективы применения нанотехнологий в строительстве Кузьмина Вера Павловна, к. т. н. , генеральный директор «Колорит. Механохимия» , ООО т/ф +7 -499 -613 -42 -66, моб. +7 -903 -142 -86 -98, kuzminavp@yandex. ru

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 100 нм.

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 С 60 принадлежит одновременно 2 -м шести- и 1 -му пятиугольнику, то все атомы в С 60 эквивалентны. Это подтверждается ЯМРспектром изотопа С 13, содержащим лишь одну линию. Длина связей С-С различна. Связь С=С, являющаяся общей стороной двух шестиугольников, 0. 139 нм, а связь СС, общая для шести- и пятиугольника 0. 144 нм Белоусов В. П. , Будтов В. П. , Данилов О. Б. , Мак А. А. 1997. Оптический журнал, т. 64, № 12, с. 3.

НАНОХИРУРГИЯ • Рис. 1. Химически открытый фуллерен с двадцатичленным кольцом • Рис. 2. Химически открытый фуллерен с шестнадцатичленным кольцом

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИГИДРО[60]ФУЛЛЕРЕНОВ • Патент RU 2348602 • Патент RU 2348603 • Патент RU 2348601

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 С 60.

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 • Способ получения обладают нанотрубок: уникальными термическое распыление электрическими, графитовых электродов в магнитными и плазме дугового разряда. оптическими • Свойства нанотрубок: свойствами. легкий и пористый материал, • Они могут быть как состоящий из многослойных проводниками, так нанотрубок со средним и диаметром 20 нм и длиной полупроводниками. около 10 мкм. • Нанотрубки на • Стоимость нанотрубок: порядок прочнее один грамм стоит несколько стали. 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 / 2000127644 от 26. 10. 2000 • Минеральное вяжущее (цемент, известь, гипс или их смеси) 33 77 • Углеродные кластеры фуллероидного типа 0, 0001 2, 0 • Вода Остальное • технологические добавки, взятые в количестве 100 250 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 60 -200 нм; • смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С 60.

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН Патент № 2256629 • Высокопрочный бетон, включающий портландцемент, песок, щебень, кремнеземсодержащий компонент, добавку и воду, в качестве кремнеземсодержащего компонента содержит золь H 2 Si. O 3 с плотностью =1, 014 г/см 3, р. Н=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 Si. O 3 и добавку «ДЭЯ-М» Добавка «ДЭЯ-М» ТУ 5743 003 46969976 2000: • ФДП 4, 5 5, 0 • указанная окалина 5, 0 - 6, 0 • Na. F 0, 75 - 1, 0 • Na. ОН 0, 25 - 0, 5 • Вода остальное фильтрат дрожжевого производства (ФДП), сод. сухих веществ, 4, 5 – 5, 0 мас. % р. Н=5, окалина металлургического производства, содержащей Fe 3 O 4, в количестве, большем или равном 70 мас. % с тонкостью помола, определяемой по остатку на сите № 008 15%, *) 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 № 2256629

ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ НАНОБЕТОНА ОТ РАСХОДА ЦЕМЕНТА

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН. Патент 2256630 • Портландцемент 43, 58 -47, 08 • Песок 14, 43 -15, 69 • Щебень 25, 70 -27, 84 • Кремнеземсодержащий компонент с плотностью =1, 014 г/см 3 , р. Н 5. . . 6, золь Н 2 Si. O 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 Si. O 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 I II IV V Содержание углерода, % 98 60 35 20 5 10 Количество золы, % 2 40 65 80 90 95

СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В МАРОЧНОМ БЕТОНЕ НОРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ Время начала эксперимента, сутки Суммарно е время выщелачи вания, сутки Суммарная доля нуклида, перешедшего в выщелачивающую дистиллированную воду, % от исходного Cs – 137 (цезий) Sr – 90 (стронций) Pu – 239 (плутоний) Am – 24 (америций) 0, 11 0, 68 2, 39 3, 17 0, 24 0, 82 2, 47 3, 78 Без добавки микрокремнезема 1 7 32 97 2 28 105 226 1, 03 29, 6 43, 5 47, 5 0, 30 0, 66 0, 96 С добавкой микрокремнезема 10% от цемента 1 7 23 60 1 13 154 214 0, 8 2, 4 6, 6 0, 004 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), % Капиллярная пористость Поры геля 5Å

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН Патент № 2331602 Состав, масс. %: • портландцемент • песок • щебень • Нано-добавка • вода 20, 60 -27, 40; 21, 80 -24, 70; 43, 10 -44, 90; 0, 60 -0, 80; 7, 10 -9, 00.

НАНО ДОБАВКА Состав, мас. %: • золь гидрооксид железа (III ) с плотностью =1, 021 г/см 3, р. Н 4, 5 Fe(ОН)3 84, 85 85, 20; • K 4[Fe(CN)6] гексоцианоферрат (II) калия 0, 80 0, 85; суперпластификатор С 3 14, 00 14, 30

СОСТАВ И СВОЙСТВА НАНОБЕТОНА патент № 2331602

НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ. ПРОНИКНОВЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

ВЛИЯНИЕ НЧ на ДНК • Токсичность зависит 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 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, сердечно сосудистые и иные заболевания, приводящие к снижению качества и продолжительности жизни человека. 1.

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. Последствия хронического (долговременного) воздействия НО на человека и живые объекты не исследованы. 8. Методы оценки, анализа и управления риском, разработанные в области 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 СНи. П 52 01 2003. • 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 научноисследовательских 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.