ננוטכנולוגיה בענף הבנייה

ננוטכנולוגיה בענף הבנייה היא תחום בהנדסה אזרחית המתייחס ליישומים ננוטכנולוגיים באדריכלות ותהליכי בנייה.

רקע

הרעיון של שימוש בננוטכנולוגיה בענף הבניה הוצג לראשונה על ידי פרופסור ריצ'רד פיינמן בהרצאתו במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech - California Institute of Technology) בשנת 1959. אולם, המחקר בנושא התפתח רק בשני העשורים האחרונים, מכיוון שהיישום של ננוטכנולוגיה תלוי בפיתוחים בתחומים אחרים. בתחום הננו-חומרים מתוכננים חומרי בנייה חדשים עם תכונות מיוחדות, קלים וחזקים יותר, מבודדי אש וקולטי רעש, ציפוים שלא דורשים תחזוקה, חומרים דוחי מים ומשטחי חיטוי עצמיים. הפיתוחים המבטיחים ביותר בתחום ננוטכנולוגיה בענף הבניה כוללים את השימוש בננוחומרים כגון פולרן (fullerene), וננו-צינוריות פחמן
שהם אלוטרופים של פחמן. ננו צינוריות פחמן (carbon nanotubes), המופיעות באיור-1 ובאיור-2, הנן למעשה משטחי גרפן שנסגרו על עצמם.
תכונות חדשות של חומרים ואלמנטים לבניה משנות בהתאם את אופן השימוש בחומרים אלו על-פי חישובי חוזקם, עמידותם ואופן עיצובם, ובכך משפיעות על תפעול וניהול הבניה. כמו כן מפותחים ננו-חיישנים לניטור ובקרה.

בטון

בטון הוא אחד מן חומרי הבנייה הנפוצים ביותר בשימוש בבניה המודרנית. תכונותיו נחקרו היטב ברמת המאקרו וברמה המבנית ללא השגת הבנה מלאה של תכונותיו ברמת המיקרו. ההתפתחות המהירה של טכניקות ניסיוניות נותנת אפשרות לחקור את תכונות הבטון ברמות המיקרו מיבנים והננו מבנים, דבר שבוצע בסיוע אמצעי הדימות השונים, מיקרוסקופ כוח אטומי -AFM, מיקרוסקופ אלקטרוני סורק - SEM ועוד. נערכו מחקרים בתחום על מנת ללמוד על תהליך יצירת הצמנט לאחר הוספת מים באמצעות תגובת אלקלי סיליקט (ASR – Alkali–silica reaction). צבירת ידע ושיפור בהבנה של מבנה והתנהגות הבטון ברמות המיקרו והננו עשוי לעזור בשיפורי תכונותיו של בטון.
כמו כן, הוספת של ננוחומרים לבטון יכולים לשפר את תכונותיו וביצועיו. חוקר בשם Li, מצא בשנת 2004 שהוספת ננוחלקיקים של דו תחמוצת הצורן (SiO₂-silicon dioxide) משפרת בצורה משמעותית את דחיסת הבטון המכיל כמות גדולה של עפר וגם משפרת את התפלגות גודלי הנקבוביות על ידי מלוי הנקבוביות שנמצאות בין חלקיקי הבטון והעפר. כמו כן, משתמשים בפיזור סלארי (slurry) של ננו-סיליקה אמורפית על מנת לשפר את הדחיסות של בטון.
בנוסף, ישנו דיווח על כך שהוספת כמות קטנה של ננו-צינורית של פחמן (1% מסך משקל הכולל של בטון אחרי ההוספה) יכולה לשפר את חוזק המבנה ללחיצה ולכפיפה זאת על מנת למנוע סדקים, המהווים בעיה גדולה במבנים רבים.
באוניברסיטת אורבנה-צ'אמפיין שבמדינת אילינוי ארצות הברית, עובדים על ריפוי מבנים באמצעות "סוכני" ריפוי הנמצאים בתוך מיקרו קפסלות. קפסולות המכילות חומרי מוצא ליצירת פולימר באמצעות טריגר קטליטי כימי הנמצא בחומר הבנייה. כאשר קפסולות מיקרוניות אלו נשברות על ידי הסדק, חומר המוצא לתגובת הפלמור משוחרר לתוכו ויוצר מגע עם הזרז (catalyst). כתוצאה, מתרחש תהליך הפלמור, שגורם לשני קצוות של הסדק להיקשר אחד לשני. חומר בנייה בעל תכונות של ריפוי עצמי יכול להיות שימושי במיוחד בתיקון של מיקרו סדקים ברציפים ועמודות של גשרים. החיסרון הוא שלשם כך נדרשת הזרקה של חומר יקר לתערובת הבנייה.

חומרים המשמשים להרכבת המבנים

פלדה היא חומר בנייה עיקרי. התכונות הפלדה, כגון חוזק, עמידות לקורוזיה ויכולת הריתוך חשובות מאוד לעיצוב ובניה. כבר בימי הביניים ידעו לייצר פלדה מחושלת במיוחד, כגון פלדת דמשק בה נתקלו עוד הצלבנים בדרכם לארץ הקודש, שלימים התברר כי השתמשו בחומרי ננו על מנת לייצר אותה כדי ליצור כלי נשק. לצערנו, סוד הייצור של הפלדה זו אבד.
ארגון Federal Highway Administation) FHWA) ביחד עם המכון האמריקאי לברזל ופלדה וצי אמריקאי (U.S Navy) בשנת 1992 התחילו בפיתוח של פלדה חדשה דלת פחמן בעלת ביצועים גבוהים (HPS - High Performance Steel) לשימוש בגשרים. פלדה חדשה זו פותחה עם תכונות עמידות לקורוזיה ויכולת ריתוך גבוהות באמצעות שילוב חלקיקי נחושת בגבולות גרעיני הפלדה.
Sandvik Nanoflex הנה סוג חדש של פלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד, יכולת עיצוב צורתיות וגימור פני השטח גבוהים שפותחה על ידי חברת Sandvik Nanoflex Technology. הודות לביצועיה הטובים, סוג זה של פלדה מתאימה לשימושים הדורשים משקל קל וקשיחות המאפשרת כושר עיצוב טוב. עבור יישומים מסוימים, רכיבים העשויים מפלדה זו יכולים להיות אפילו עוד יותר דקים וקלים מאשר אלו העשויים מאלומיניום או טיטניום, הודות לחוזק והאלסטיות הטובות במיוחד. עמידות טובה לבלאי וקורוזיה תורמת להוזלת התחזוקה של המבנים העשויים מפלדה זו בכך שהיא מאריכה את זמן החיים של המבנים. ניתן להשיג תכונות אלו על ידי עיבוד הפלדה בטכניקות שונות (על ידי שימוש בטכנולוגיות של חברת Sandvik Nanoflex Technology).
סוג נוסף של פלדה - MMFX2. נעשו בה שינויים ברמת הננו על ידי חברת MMFX Steel Corp. בהשוואה לפלדה הרגילה, לפלדה זו יש תבנית שונה לחלוטין - מבנה פסיס למינטיבי (laminated lath structure) הדומה יותר ל"דיקט" ("plywood"). הודות לתבנית ייחודית זו, לפלדת MMFX2 יש חוזק מפליא במיוחד (עד פי שלושה מהפלדה הרגילה), משיכות, קשיחות ועמידות לקורוזיה טובים. עקב עלויות גבוהות, חיזוקים מפלדת אל-חלד במבני בטון מוגבלים רק לאזורים בהם יש סיכון גבוה לשלמות המבנה. השימוש בפלדת MMFX2 יכולה להיות אלטרנטיבה טובה מכיוון שיש לה עמידות לקורוזיה בדומה לפלדת אל-חלד, עם עלויות זולות בהרבה (לפי חברת MMFX Steel Corp).

ציפויים

ציפויים המשלבים בתוכם ננוחלקיקים וננו-שכבות מפותחים למטרות שונות. ציפוי הוא אחד מן היישומים העיקריים של ננוטכנולוגיה בבניה, כך למשל, משתמשים בדו תחמוצת טיטניום (TiO₂ - Titanium Dioxide) לציפוי זכוכית למטרות חיטוי עצמי ומניעת עכירות לאורך הזמן. דו תחמוצת טיטניום תישבר ותפורר זיהום אורגני באמצעות תגובה קטליטית חזקה. יתרה מכך, דו תחמוצת טיטניום היא הידרופילית, תכונה מאפשרת למים להתפזר באופן שווה על פני הזכוכית ולשטוף את כל הלכלוך שנוצר. 
פותחו ציפוים נוספים למטרות בנייה כגון ציפוי אנטי-גרפיטי (anti-graffiti), בקרה תרמית (טמפרטורה), מניעת השתקפות.

ננו-חיישנים

בעתיד הלא רחוק, ניתן יהיה להתקין ננו-חיישנים שיהיו מסוגלים לנטר אחר חוזק המבנה ולהתריע במידה ותהיה פגיעה בשלמותו. זמן החיים של המבנים המנוטרים יוכלו לגדול פי חמישה מהמבנים של היום, הודות לתחזוקה מונעת קפדנית יותר וטיפול בתקלות מתקדם יותר שיתאפשר הודות לננו-חיישנים. כמו כן, מבנים כאלו יוכלו לסגל את עצמם לטובת השוהים בהם, באמצעות וויסות הטמפרטורה לפי עונות השנה, תוך חיסכון באנרגיה הדרושה לכך.
חיישני מערכות ננו ומיקרו אלקטרומכניות (NMEMS - Nano and Microelectrical Mechanical Systems) כבר פותחו בעבר ונמצאים בשימוש בענף הבניה לצורך ניטור או/ו בקרה של תנאי הסביבה וביצועי המבנים/חומרים. יתרון של החיישנים אלו הוא גודלם המיזערי. חיישנים אלו יכולים להיות מותקנים בתוך המבנה בזמן תהליך הקמת הבניין. 
התקן חכם, זול, מבוסס על פיאזו קרמיקה (pizoceramic-based) ורב שימושי כזה כבר נמצא בשימוש למטרות ניטור אחר תכונות הבטון בשלב מוקדם כגון עמידה ללחות, טמפרטורה וחוזק בשלב הראשוני
;. ניתן להשתמש בננו-חיישנים גם עבור ניטור אחר קורוזיה וסדקים.
שימוש נוסף בהתקנים חכמים אלו הוא בניטור תקינות המבנה לאחר הקמתו. מערכת סגורה יכולה לנטר אחר לחצים פנימיים, סדקים וכוחות פיזיקליים אחרים הפועלים על המבנה לכל אורך זמן החיים שלו. כך, חיישנים אלו מסוגלים לתת התראה מוקדמות על תקינות המבנה לפני שהכשל קורה ומחמיר במבנה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

בזמן שמוצרי בנייה מבוססי ננוטכנולוגיה מציעים יתרונות רבים לתהליכי תכנון ועיצוב הבניה, ייצור של מוצרים אלו מצריך השקעה רבה. בנוסף, ישנה אי וודאות אודות התכונות הטוקסיקולוגיות של הננוחלקיקים היכולות לסכן את בריאות הפועלים, שכן חשיפה לחלקיקים אלו יכולים להיגרם נזקים כבדים. בנוסף טכנולוגיה זו מהווה אתגר סביבתי. מכיוון שלענף הבניה יש השפעה רבה על צמיחה כלכלית והוא צורך כמות גדולה של משאבים והשקעה רבה, השפעתו על הסביבה היא משמעותית ביותר. לכן נוצר צורך דחוף והכרחי להסדיר ולמסד את הנושאים הנוגעים בענף הבניה והשפעתו על הסביבה. כך נוצר המצב שננוטכנולוגיה מתפקדת למעשה כחרב פיפיות עבור ענף הבניה. נדרשים עוד מחקרים ומאמצים בעריכת ניסויים רבים נוספים כדי להגיע לכך שפרויקטי בנייה יהיו חכמים, כך שהמבנים יהיו נתונים לתחזוקה חכמה, דבר שיחסוך הרבה אנרגיה, משאבים וימנע נזקים לאיכות הסביבה. יש הכרח בשימוש בננוטכנולוגיה ירוקה וידידותית לסביבה כדי למנוע נזקים בעתיד.