تطبيقات تكنولوجيا النانو في مجال مواد البناء Nanomaterials هي من أهم تطبيقات Nanotechnology في مجال العمارة، والتي جاءت كنتيجة لإعادة هيكلة البنية الذرية للمواد والقدرة على تصغير جزيئاتها وحبيباتها والتعديل علي خصائصها.
حيث ظهرت مواد جديدة تدعى مواد النانو، والتي تتميز بخواص فريدة غير موجودة في المواد التقليدية، بالإضافة لدور تكنولوجيا النانو في إضافة خواص جديدة للمواد التقليدية مما يجعلها تدعم تطبيق العمارة الخضراء. وفيما يلي تفصيل لبعض هذه المواد سواء أكانت إنشائية أوغير إنشائية.
1. خامة الزجاج
هناك العديد من تطبيقات النانو فى مجال خامة الزجاج, وذلك بهدف مشاركة هذه الخامة فى التحكم فى البيئة الداخلية للمبنى, وبالتالي تحقيق الراحة الحرارية, وتحقيق الكفاءة في الطاقة, والتقليل من تكاليف معدات التحكم في المناخ وأجهزة التكييف. وفيما يلي نستعرض أشهر هذه التطبيقات ومميزاتها.
1.1. زجاج النانو الفعال Active glass
هو عبارة عن ألواح زجاجية مغطاه بطبقة رقيقة شفافة من حبيبات المحفزات الضوئية، حيث تحافظ تلك المحفزات على نظافة سطح الزجاج بصورة دائمة وتحول دون رسب أي عوالق أوملوثات عليها لذا فهي تضمن ما يعرف الأن بمصطلح التنظيف الذاتي, كما يوضح شكل (1).
تحدث خاصية التنظيف الذاتي للأسطح نتيجة لقدرة مادة ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2 على تحليل المواد المترسبة على السطح والملوثات وتحويلها إلى مركبات هيدروكربونية صديقة للبيئة, معتمدةً في ذلك على خاصيتين أساسيتين إحداهما ضوئية وتعمل عندما تسقط الاشعة فوق البنفسجية على سطح الزجاج, فتصبح الجزيئات النانو نشطة وتبدأ في كسر وتفتيت الجزيئات العضوية والأتربة من على الزجاج, كما يوضح شكل (2).
أما الخاصية الأخرى فهي هيدروليكية تعتمد على إنتشار مياء الأمطار عند سقوطها على الزجاج لتنظفه بسهولة وتسقط, كما يوضح شكل (3).
استخدم الزجاج الفعال بالمبنى الرئيسي لشركة SOCAR , كما يوضح الشكل (4).
شكل (4) تقنية
الزجاج الفعال بمبنى Socar tower
2.1. الزجاج المقاوم للحريق Fire-proof glass
يعتمد هذا النوع من الزجاج على مادة ثانى اكسيد السيليكا SiO2 التى تستخدم كطقبة طلاء بين طبقات الزجاج، حيث تعمل على الحماية من الحرارة وتعطي الزجاج قدرة على مقاومة الحريق لمدة تزيد عن 120 دقيقة من التعرض لدرجة حرارة 1000o . ويوضح الشكل (5) طبقات زجاج النانو المقاوم للحريق.
من أمثلة المباني التي استخدمت زجاج النانو المقاوم للحريق المبنى الإداري لشركة Deutsche post بألمانيا, حيث تم تطبيقه على سقف الفراغ الداخلي للمبنى, كما يوضح شكل (6).
شكل (6) استخدام الزجاج Fire-proof بمبنى Deutsche post headquarters
3.1. الزجاج الحراري Temperature regulation glass
هو زجاج معالج بمادة النانو ANZ التي تعمل كطبقة عازلة في التقليل من درجات الحرارة في الصيف بمقدار20 درجة ومعادلة درجة الحرارة شتاءاً، كما يوضح شكل (7)، وبالتالي يقلل من إستهلاك الكهرباء اللازمة لعمليات التبريد والتكييف، وتقل التكاليف والنفقات اللازمة لأعمال الحماية ضد إرتفاع درجات الحرارة أوانخفاضها، وبالتالي تتم عملية ترشيد استهلاك الطاقة من مصادر توليدها، و يتم تشتيت أكثرمن 80 % من أشعة الشمس فوق الحمراء قريبة المدى.
استخدم الزجاج الحراري في غلاف مبنى دار المسنين المسمى Sur Falveng بسويسرا, ويوضح شكل (8) وشكل (9) غلاف المبنى الذي اعتمد على زجاج النانو الحراري.
4.1. زجاج الوقاية من أشعة الشمس Solar protection glass
هو أحد تطبيقات تكنولوجيا النانو التى ساعدت على توفير وسيلة فعالة من حيث الطاقة للحماية الشمسية من خلال التحكم فى تغيرات شدة الاضاءة وهو مناسب للأسطح المعرضة لأشعة الشمس حيث تجمع بين السيطرة على الضوء والحرارة والخصوصية.
ويعتبر وسيلة جديدة لدمج الزجاج الكهربي في المباني، والفارق الأساسي بينه وبين المنتج السابق هو أن التيار الكهربائي المستمر لم يعد ضروريا، فضغطة واحدة على الزر هو كل ما نحتاجه لتغيير درجة انتقال الضوء من حالة إلى أخرى، ليتحول الزجاج من شفاف إلى غامق والثانية ليعود مرة أخرى للشفاف.
كل ذلك بالحد الأدنى من إستهلاك الطاقة الكهربائية حيث تستغرق عملية التحول بضع دقائق، أي أن الزجاج اللوني هو حل آخر لتظليل الألواح الزجاجية، ليصبح ضوء الشمس نفسه سبباً لتغميق تلقائي للزجاج الخارجي دون التبديل. ويمكن أن يقترن أيضا بوظائف زجاجية أخرى. كما يوضح شكل (10).
استخدم زجاج التحكم بضوء الشمس في غلاف متحف العلوم بمدينة بوسطن, كما يوضح شكل (11) وشكل (12).
بذلك يتضح لنا أن تكنولوجيا النانو أسهمت في إيجاد أنواع جديدة من الزجاج بمميزات خاصة، فأصبح الزجاج قوياً وغير قابل للكسر- لأن صفة الهشاشة تحدث نتيجة وجود فراغات بين الذرات وهو ما تم علاجه بتقليل الفراغات بين الذرات لتصل إلى الحد الأدنى, هذا بالإضافة إلى العديد من الخصائص ومنها:
- منع التسرب الحراري لأشعة الشمس عبر النوافذ وما يترتب على ذلك من توفير فى استهلاك الطاقة وذلك باستخدام تكنولوجيا الثروموكروماتيك وهى عبارة عن طلاء طبقة رفيعة جدا تعمل على العزل الحرارى مع توفير الإضاءة المناسبة.
- اختزان قدر من الحرارة ثم بثها مرة أخرى إلى داخل الفراغ الداخلي في حالة انخفاض درجة الحرارة فيعمل كجهاز تدفئة.
- عاكس لأشعة الشمس الضارة فوق البنفسجية .
- خاصية التنظيف الذاتي بتحليل الإتساخات العضوية ومقاومة الضباب.
- تقنية التحكم في تغيرات شدة الاضاءة.
2. خامة البلاستيك
تعتبر خامة البلاستيك من الخامات التي لها استعمالات كثيرة في مجال العمارة وخاصة في الغلاف الخارجي للمبنى، ولكن ثبت مؤخراً أن مادة البلاستيك PVC (Polyvinyl chloride) المستخدمة في المباني لها أضرار على صحة الإنسان. إلى أن جاءت تكنولوجيا النانو لتوفر بدائل جديدة من البلاستيك غير مضرة بصحة الإنسان بالأضافة إلى تمتعه بمميزات إضافية.
وبتغير ترتيب الذرات أمكن تحويل مادة البلاستيك من مادة عازلة للكهرباء إلى مادة موصلة حسب الترتيب الذرى وحسب الغرض من الإستخدام ، وبذلك أمكن طلاؤه بالطريقة الكهروكيميائية وإستخدامه فى العديد من التطبيقات المعمارية فعلى سبيل المثال تم إستخدام ما يُعرف بالشاشة الثلجية التى تستخدم فى واجهات المحلات. كما أمكن إستخدام أغشية رقيقة منه Nano Protect Plastic والتى تستخدم على الزجاج العادى لتحويله إلى زجاج ذكى.
ومن أمثلة هذه البدائل البوليستر المقوى بألياف النانو Nano-reinforced polyester والذي يتميز بأنه عازل قوي للحرارة والكهرباء كما أنه مقاوم للتأكل وذو متانة عالية مع قوة إجهاد كبيرة بالأضافة لسطح أملس ناعم. ويستخدم في الأبواب والنوافذ والواجهات وحتى في الأنظمة الهيكلية الخفيفة كما بالشكل (13).
وقد توصل فرق من جامعة فرجينيا بإستخدام أنابيب النانو إلى مادة جديدة تجمع بين مميزات البلاستيك والمعادن خفيفة الوزن وفائقة التوصيل ومقاومة للتأكل وذلك فهي أقل سعراً من المعدن. وقد استخدمت مركبات البوليمر Fiberline GRP في غلاف مبنى The Eyecatcher, كما يوضح شكل (13).
3. مواد نانو عازلة Nanomaterials for Insulation
يعتبر مبدأ كفاءة الطاقة من أهم مبادئ العمارة الخضراء والذي يمكن تحقيقه بطرق سلبية Passive means من خلال مواد النانو العازلة للحرارة والتي تتميز عن العوازل التقليدية بالعديد من المميزات مثل الأداء العالي في العزل وسهولة الأستخدام وقلة السمك والشفافية وقلة تكلفتها على المدى البعيد وغيرها.
يعتبر الشرط الأساسي للعزل الحراري هو توفير مسار مقاومة كبير لتدفق الحرارة خلال المواد العازلة، وهو مايمكن تحقيقه بالعزل التقليدي كالألياف الزجاجية والسليلوز وألواح البوليستر ولكن هذه العوازل تحتاج لتجديد بينما قدمت لنا تكنولوجيا النانو مواد عازلة عالية الأداء وتدوم طويلاً، ومن هذه المواد مادة النانو Aerogel ومادة VIPs.
1.3. العزل الحراري Thermal insulation (Aerogel)
تتميز Aerogel بأنها من مواد النانو الصلبة التى لايسهل إختراقها كما أنها خفيفة الوزن جداً لأن الهواء يمثل 95% منها، مما يجعلها مادة عازلة ذات فعالية أكبر من المواد العازلة التقليدية بحوالي 23 ضعف تقريباً، كما أنها تتميز بنسبة شفافية 75% مما يسهل إستخدامها في عزل الجدران الشفافة والنوافذ.
وقد استخدم عزل النانو الحراري Aerogel في غلاف مبنى صالة الرياضات بفرنسا, كما بالشكل (14).
شكل (14) العزل Aerogel لمركز sports hall الرياضي بفرنسا
2.3. العزل الحراري Thermal
insulation (VIPs)
مادة Vacuum insulation panels (VIPs) هي مادة عازلة مناسبة بشكل كبير لتوفير عزل حراري جيد مع سمك عزل أرق بكثير من المعتاد بالمقارنة مع مواد العزل التقليدية مثل البوليسترين، ويميز هذه المادة المعتمدة على تكنولوجيا النانو أمكانية تحقيق أقصى قدر من المقاومة الحرارية مع الحد الأدنى من سمك العزل.
شكل (15) العزل VIPs لمركز Sonnenschiff الذي ينتج طاقة 4 أضعاف أستهلاكه
4. المواد ذاتية الالتئام Self- Healing
تعتمد فكرة المواد ذاتية الألتئام على كبسولات النانو بوليمر، وهي عبارة عن كبسولات مملوءة بمحلول يتحول إلى مادة صلبة مقاومة للماء عندما يتعرض للضوء.
تعتمد فكرة عمله على أن التلف أوالتشققات التي تلحق بالمادة المطلي بهذه المادة يؤدي إلى تعرض كبسولات البوليمر للضوء فتُفتح الكبسولات وتطلق المحلول الموجود بداخلها ليملئ الشقوق ويتصلب مع تعرضه لأشعة الشمس، وبالتالي يكسب المادة خاصية الإلتئام الذاتي, كما يوضح الشكل (16).
كما يمكن استخدامه مع الخرسانة أو الأسمنت أو الدهانات ويتميز هذا المحلول بأنه لا يتجمد حتى مع الانخفاض الشديد في درجات الحرارة بالإضافة إلى أنه صديق للبيئة.
شكل (16) مراحل إلتئام المواد النانو ذاتية الإلتئام
5. المواد الذكية Smart Material
إعتماداً على تكنولوجيا النانو فقد تم إبتكار مواد بناء يُطلق عليها المواد الذكية Smart material، تتغير هذه المواد لتتجاوب مع البيئة المحيطة بها، معتمدة في ذلك على حاسبات صغيرة Tiny Computer تعمل كمستشعرات.
فقد ظهر طلاء ينذر بتسرب الغاز أو بوجود عيب كهربائى، والطلاء الذى يقاوم الميكروبات والأوساخ أويُخزن الكهرباء أثناء النهار ليبثها في اثناء الليل.
المراجع العلميه
2) الإسكندراني. محمد شريف، (2010)، "تكنولوجيا النانو: من أجل غداً أفضل"، عالم المعرفة إبريل 2010، المجلس الوطني للثقافة والفنون والأدب، الكويت.
3) إسماعيل.عـــــلا محمد سمير،(2012)، "إستخدام تكنولوجيا النانو الخضراء فى تحقيق التصميم الداخلى المستدام"،المؤتمر الثاني لكلية الفنون التطبيقية (التصميم بين الابتكارية و الاستدامة - المحور الثالث: التكنولوجيا المتقدمة و تطوير المنتج )، جامعة حلوان، مصر.
6) Sylvia. Leydecker, (2008), "Nano Materials in Architecture, Interior Architecture and Design", Birkhauser Basel, Basel, Boston, Berlin, Germany.
8) محمدي.لميس سيد، (2011)،"دور التقنية فى تطوير العناصر المعمارية التقليدية"، رسالة ماجستيرغير منشورة، قسم العمارة كلية الفنون الجميلة، جامعة الأسكندرية، مصر.
9) George. Elvin, (2007), "Nanotechnology For Building Green", Green technology forum 2007, in USA.
تعليقات
إرسال تعليق