تطبيقات النانو-تكنولوجي في الهندسة المدنية (الجزء الأول)

لم تعد النانو-تكنولوجي بالعلم الجديد ولا تعتبر تقنية جديدة في المجالات العلمية، وإنما هي عبارة عن امتداد وتطور للعلوم والتقنيات السابقة على مر السنين. نشأت النانو-تكنولوجي في ثمانينيات القرن العشرين بسبب التقدم في التجارب العلمية مثل اختراع مجهر المسح النفقي عام 1981 واكتشاف الفلورين عام 1985، بدأت توضيح أهداف النانو-تكنولوجي ونشرها بين العامة مع نشر كتاب محركات الانتاج Engines of creation عام 1986. وباختصار فإن جزئيات النانو عبارة عن جزيئات متناهية الصغر لمادة معينة، يتم استخدامها نفسها أو يتم التلاعب بها وذلك من أجل انتاج مواد جديدة.

تعتمد النانو-تكنولوجي على المقياس النانوي للجزيئات، حيث يكمن سر النانو-تكنولوجي في حجم الجزيئات، لأن خواص المواد تختلف وتتأثر بشكل كبير عند مقياس النانومتر [10^-9 m]. حيث تختلف خواص المادة كلياً في مقياس النانو عنها في المقاييس الكبيرة. على سبيل المثال، تصبح الجاذبية غير مهمة، وتصبح الأولوية لقوي الالكتروستاتيك وتبدأ التأثيرات الكَمِّية بالظهور.

عندما تكون الجزيئات في الحجم النانوي، يزداد تناسب الذرات على السطح مع نسبة الذرات الداخلية مما يؤدي لظهور خصائص جديدة للمواد. على سبيل المثال وليس الحصر؛ نجد أن الخرسانة أصبحت أقوى، وازدادت متانتها، وأصبح صبها أسهل؛ أما عن الحديد الصلب ف تزداد صلابته؛ وأخيراً بالنسبة للزجاج فإنه يكتسب خاصية التنظيف الذاتي.

إن التعرف على خواص المواد على المقياس النانوي لها سوف يُعزز من تطوير تطبيقات ومنتجات جديدة تُستخدم في إصلاح أو تحسين خواص المواد الإنشائية. على سبيل المثال، التكوين الأساسي لـ هيدرات سليكات الكالسيوم C-S-H والذي يعتبر مسؤولاً عن الخصائص الميكانيكية والفيزيائية للعجينة الإسمنتية -بما في ذلك الانكماش والزحف والمسامية والنفاذية والمرونة- يمكن أن يتم تعديله من أجل الحصول على متانة أفضل.

أنواع المواد النانوية:

1- ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2

2- أنابيب الكربون النانوية CNTs

3- النانو سيليكا Nano-Silica

4- متعدد الكربوكسيلات Polycarboxylates

5- نانو أكسيد الزركونيوم الرباعي Nano ZrO2

يمكن للعديد من تخصصات الهندسة المدنية الاستفادة من النانو-تكنولوجي بما في ذلك تخصصات التصميم أو الإنشاءات. فعلى سبيل المثال، يمكن صناعة مواد إنشائية جديدة ذات خواص فريدة، وعمل مركبات أخَفّ وأكثر قوة، وعزل الحرائق، وامتصاص الصوت، وتخفيض صيانة الطلاء، وطرد المياه، وعمل بوليمرات مُشبّعة بجزيئات النانو الطينية، وإضافة خاصية التنظيف الذاتي للأسطح، والحماية من الأشعة فوق البنفسجية، وعمل منقيات الهواء، ومستشعرات ذات أحجام نانوية، وشرائح رقيقة جداً ذات توصيلية عالية، وخلايا شمسية، والعديد من المنتجات الأخرى التي لا حصر لها.

سنطرح باختصار مجالات تطبيق النانو-تكنولوجي في الهندسة المدنية والعلم والتكنولوجيا وراء تطوير وتحسين أدائها. بالإضافة لذلك، سنتحدث عن التحديات التي يواجها العلماء والتقنيين في سبيل اكتشاف الإمكانيات الأخرى التي يمكن جلبها عن طريق النانو-تكنولوجي.

تطبيقات النانو-تكنولوجي في الخرسانة:

تتأثر خصائص الخرسانة بقوة على المقياس النانوي، لذا يُعد فهمها على هذا المستوي الجديد هو إخضاع للعديد من السُبل من أجل تحسين مقاومتها ومتانتها ورصد التغييرات الحادثة بها.

يتم إجراء العديد من التحليلات على المستوي النانوي للخرسانة من أجل فهم تكوينها باستخدام التقنيات المختلفة المُطوّرة من أجل الدراسة على هذا النطاق مثل مجهر القوة الذرية AFM ، ومجهر الفحص الإلكتروني SEM ، والشعاع الأيوني المُركّز FIB .

إن فهم بنية وسلوك الخرسانة على المستوي الأساسي لها يعد من الاستخدامات المهمة والمناسبة جداً للنانو-تكنولوجي.

أثبتت إحدى الدراسات على المقياس النانوي للخرسانة، أن حزمة الجزيئات في الخرسانة يمكن تحسينها عن طريق استخدام النانوسيليكا، مما يؤدي إلى تكثيف البنية الهيكلية على كل من المقياسين النانو والميكرو؛ وهذا يؤدي إلى انتاج خواص ميكانيكية مُحسَّنة.

وأيضاً بإضافة النانوسيليكا إلى المواد الإسمنتية يمكن السيطرة على انحلال التفاعل الأساسي لـ C-S-H (هيدرات سيليكات الكالسيوم) الخاص بالخرسانة والناتج من تصفية الكالسيوم من المياه، بالإضافة لذلك فهو يمنع اختراق المياه للخرسانة وبالتالي يؤدي إلى تحسين خاصية المتانة. وبالنسبة إلى حزمة الجزيئات المُحسّنة، فإن الطاقة العالية المستهلكة في طحن حبيبات الكلنكر للإسمنت البورتلاندي العادي مع الرمل القياسي، تُنتج جزيء أكبر حجماً مقارنةً بالحبيبات التقليدية للإسمنت البورتلاندي العادي. وكنتيجة لذلك، فإن مقاومة الضغط للمادة المصقولة أصبحت أعلى بنسبة تتراوح من 3 إلى 6 مرات النسبة الأصلية (على اختلاف أعمار الخرسانة).

نوع آخر من الجسيمات النانوية المضافة الى الخرسانة من أجل تحسين خواصها هو ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2 وهو صبغة بيضاء يمكن استخدامها كمادة طلائية عاكسة ممتازة. حيث أنها تتفاعل تفاعلات قوية مع الملوثات العضوية، والمركبات العضوية المتطايرة، والأغشية البكتيرية مما يُمكّنها من الحد من الملوثات المحمولة جواً وذلك عند تطبيقها على الأسطح الخارجية في الهواء الطلق. بالإضافة لذلك، فهي مادة شرهة للمياه وبالتالي فهي تُضيف خاصية التنظيف الذاتي للأسطح التي تُطبق عليها هذه التقنية. في هذه العملية يتم جذب مياه الأمطار إلى السطح حيث تُكوِّن طبقات تَجمَع بها كل الملوثات وتُنظف السطح من هذه الجسيمات القذرة. تكون الخرسانة الناتجة ذات لون أبيض وتحتفظ بهذا البياض بشكل فعّال.

يوجد نوع آخر من جسيمات النانو لديه خواص رائعة، وهو أنابيب الكربون النانوية CNT ، وهو شكل من أشكال الكربون الذي تم اكتشافه في روسيا، ولكنه دخل حيز الاستخدام في أواخر التسعينيات في اليابان. تتميز بشكلها الاسطواني، وتم تسميتها بهذا الاسم نسبة لأقطارها النانومترية. يمكن أن يصل طولها إلى عدة ملليمترات ويمكن أن تحتوي على طبقة واحدة (أنابيب نانوية أحادية الطبقة) أو أكثر من طبقة (أنابيب نانوية متعددة الطبقات).

أنابيب الكربون المؤكسدة متعددة الجدران MWCNTs تُظهر تحسُّنات أفضل في كلاً من مقاومة الضغط (+ 25N/mm2) ومقاومة الانحناء (+ 8N/mm2) مقارنةً بالعينات المشار إليها سابقاً بدون تسليح.

وإحدى التطبيقات الأخرى التي ظهرت مع بروز النانو-تكنولوجي هي الخرسانة ذاتية الدمك SCC فهي خرسانة لا تحتاج إلى التعرض للاهتزازات بعد صبها. ومثل هذا التقدم الكبير يحد من الطاقة اللازمة لبناء هياكل خرسانية. بالإضافة إلى أن الخرسانة ذاتية الدمك يمكن أن توفر تكلفة تصل إلى 50% من تكاليف العِمالة، حيث يرجع ذلك إلى أن سرعة صب هذه الخرسانة أسرع 80% من صب الخرسانة العادية وذات أضرار أقل. تتخذ هذه المادة سلوك السوائل السميكة ويمكن صناعتها باستخدام متعدد الكربوكسيلات polycarboxylates (هي مادة شبيهة بالبلاستيك تم تطويرها باستخدام النانو-تكنولوجي).

يُعد استخدام ألياف الكربون في الخرسانة استخداماً شائعاً هذه الايام ، وذلك لأنها تزيد من مقاومة العناصر الإنشائية للخرسانة الموجودة مُسبقاً. وتشمل هذه الاجراءات المتقدمة غِطاءً من الفايبر (مصفوفة) بما يحتويه من جزيئات نانو سيليكا ومُصلِّبات. تقوم الجزيئات النانوية باختراق الشقوق الصغيرة الموجودة بسطح الخرسانة وتقوم بإغلاقها، وأيضاً (بالنسبة لمجال التقوية) تُكوِّن المصفوفات رابطة قوية بين سطح الخرسانة والألياف المُعزِزة للخرسانة.

وسنتابع في الجزء الثاني بعض تطبيقات النانو-تكنولوجي في الزجاج وتنقية المياه ومقاومة الحرائق.

المصادر:

هنا

هنا