News image News image News image News image News image News image News image News image


Нанобетон: мифы и реальность
Нанотехнологии как наука - Нанотехнологии в строительстве

нанобетон: мифы и реальность

· В настоящее время, после того как с телеэкранов было объявлено о приоритетном развитии нанотехнологий, это определение стало очень модным и нещадно эксплуатируется не только СМИ, но и многими учеными. Не минула чаша сия и строительную отрасль. Поскольку специалистов, хорошо ориентирующихся в законах и терминологии наномира, пока очень мало, а показать свою причастность хочется многим, на свет появляется большое количество явных несуразностей и нелепостей, которые, обрастая подробностями, превращаются в мифы, кочующие по страницам газет и журналов.

· Для того чтобы разобраться в сути этого явления, определимся с дефинициями. «Нано» (от греческого слова «nanos» — карлик) — это приставка, обозначающая одну миллиардную долю исходной единицы. Поскольку в СИ единицей длины является метр, то нанометр означает одну миллиардную долю метра или миллионную долю миллиметра. Это очень маленькая величина, но она не имеет никакого отношения, ни к молекулам, ни тем более к атомам. На атомном и молекулярном уровнях размеры измеряются в ангстремах. Ангстрем (10-10 м) является внесистемной единицей, которую давно пытаются отменить, но пока ничего не получается, так как она очень удобна для оценки размеров атомов, ионов и простых молекул. Сложные полимерные молекулы могут достигать в длину даже нескольких микронов, но их поперечные размеры все равно не превышают нескольких ангстрем.

· Поэтому характеризовать молекулярные химические взаимодействия как нанотехнологии и нанообъекты не просто неправильно, но даже как-то несерьезно — мышей не измеряют в слонах.

· Аналогичные тенденции сейчас наблюдаются и в микробиологии. Клетка, ее элементы и механические устройства, с помощью которых можно на них воздействовать, измеряются все-таки в микронах. Это тоже не объекты наноуровня. Это очень интересные, современные технологии, но микро, а не нано.

· Мы привыкли к тому, что вещество, имеющее кристаллическую или аморфную структуру, состоит из молекул, а молекулы из атомов. Во второй половине XX в. было установлено, что в некоторых случаях между молекулами и веществом могут присутствовать более сложные объекты, которые уже не являются молекулами, но еще не характеризуются как вещество. Эти объекты, имеющие размеры в нанометровом диапазоне, назвали молекулярными кластерами. Именно для молекулярных кластеров и предложены такие понятия и определения, как наномир, нанотехнологии, наномеханизмы.

· Что представляет собой молекулярный кластер? Это упорядоченная пространственная структура, связанная посредством сил молекулярного взаимодействия, состоящая из атомов одного химического элемента и имеющая размеры порядка нескольких нанометров. К настоящему моменту открыты только углеродные кластеры, но подобные структуры могут быть созданы и на основе кремния.

· Семейство углеродных кластеров достаточно обширно. Наиболее известными его представителями, за открытие которых в 1990 г. была присуждена Нобелевская премия по химии, являются фуллерены. Фуллерены представляют собой полые сферические структуры, напоминающие футбольный мяч. Их поверхность состоит из чередующихся шестиугольников и пятиугольников, в узлах которых находятся атомы углерода. Термин «фуллерен» дан в честь знаменитого архитектора Фуллера, который первым начал использовать подобные сочетания пространственных связей в своих проектах. Однако Фуллер, который умер почти за полвека до открытия фуллеренов, не является их первооткрывателем. Он разработал пространственные купола из прямых стальных стержней, один из которых в 1959 г. был построен в Москве над выставочным павильоном в Сокольниках. Сам же Фуллер даже и не предполагал, что в его честь назовут один из видов молекулярных кластеров.

· Фуллерены в настоящее время находят применение во многих областях науки и техники, но в бетонах пока не используются и никакого отношения к понятию «нано-бетон» не имеют.

· Менее известным семейством углеродных кластеров, но значительно более широко применяемым в нанотехнологиях, являются нанотрубки. Закрытая нанотрубка представляет собой полый объект в виде вытянутого в трубу тора, боковая поверхность которого сложена из шестиугольников (как в гексагональной кристаллической решетке графита), а торцы представлены половинками фуллеренов. В настоящее время разработана технология, позволяющая открывать концы нанотрубок и превращать их в миниатюрные капилляры. К настоящему времени открыто более 30 видов углеродных нанотрубок [1], большинство из которых может быть использовано для приготовления модифицированных бетонов [2, 3].

· Третьим, значительно менее известным, семейством углеродных кластеров являются астралены, представляющие собой многослойные полиэдральные углеродные структуры фуллероидного типа [4]. Эти кластеры могут иметь достаточно разнообразные сочетания геометрических форм, их размеры находятся в диапазоне от нескольких нанометров до десятков нанометров, а их поверхность представлена шестиугольными и пятиугольными ячейками. Астралены, как и нанотрубки, могут быть использованы для приготовления модифицированных бетонов [5], но механизм их влияния на процессы структурообразования бетона будет существенно отличаться.

· Кроме трех вышеперечисленных основных видов углеродных кластеров существуют и другие, менее изученные фуллероидные структуры. Общим для них является наличие фрагментов смешанной решетки, состоящей из шестиугольников, чередующихся с пятиугольниками. Если мы видим углеродную структуру из одних шестиугольников, то это не молекулярные кластеры углерода, а графит, шунгит или другие, сходные с ними кристаллические или частично закристаллизованные минералы.

· В последнее время в печати появляются статьи, в которых авторы утверждают, что фуллерены присутствуют в шунгитовых породах [6]. Подобное утверждение, не подкрепленное фактическим материалом, является одним из мифов, которые, неоднократно повторяясь в различных источниках, приобретают в глазах широких масс читателей вес и достоверность. В свое время Аристотель заявил своим ученикам, что муха имеет восемь ног. С тех пор и до начала ХХ в. более двух тысячелетий любой образованный человек верил в это, хотя для того чтобы сосчитать количество ног у мухи, микроскоп не требуется. Сейчас сильные микроскопы (как электронные, так и оптические) есть во многих научных лабораториях. Однако пока еще ни в одном научном источнике не появлялось фотографии хотя бы одного фуллерена в структуре шунгита. Да и не может появиться, так как условия образования фуллеренов и шунгита диаметрально противоположны.

· Шунгитовые породы в мире имеются только в двух местах. В Карелии, вблизи побережья Онежского озера, и в южном Казахстане. Это осадочные породы органогенного происхождения. Шунгит по своей структуре занимает промежуточное место между графитом и каменным углем [7]. Это очень интересный материал, способствующий, при его использовании в бетоне, возникновению целого ряда уникальных явлений; но ни фуллеренов, ни других фуллероидных материалов в нем просто нет. В структуре наблюдаются только гексагональные (шестиугольные) ячейки, в узлах которых расположены атомы углерода.

· Фуллерены и другие фуллероидные структуры являются искусственными материалами. Для их получения нужны лабораторный или промышленный реактор, атмосфера инертного газа, мощные электромагнитные воздействия. На кухне в микроволновке («на коленке») эти материалы получить невозможно. Умельцы, предлагающие фуллерены, которые изготовлены «на кухне или в сарае на садовом участке», на самом деле в лучшем случае получают расщепленный графит, а в худшем — обыкновенную сажу (не путать с фуллереновой сажей, которая образуется в реакторе и действительно может включать в небольших количествах различные фуллероидные структуры).

· Теперь, разобравшись с мистификацией и волюнтаризмом, перейдем к практическим возможностям использования фуллероидных структур для модификации бетона. В настоящее время есть несколько их научных разработок, позволяющих качественно изменить структуру цементного камня и бетона путем добавления в его состав микродоз фуллероидных материалов. Термин «добавка» в данном случае не вполне адекватен, так как дозировка добавки обычно бывает не менее 0,1% от расхода цемента. Скорее речь пойдет о присадке, так как фуллероидные материалы целесообразно вводить в бетон поистине в гомеопатических дозах, составляющих от одной тысячной до одной десятитысячной доли процента от расхода цемента. Даже такая микродоза фуллероидных материалов позволяет качественно изменить структуру цементного камня [2, 3] или существенно усилить водоредуцирующую способность пластифицирующей добавки [5].

· Для улучшения структуры цементного камня, повышения его трещиностойкости и повышения динамической вязкости в состав бетона вводятся углеродные нанотруб-ки. Углеродные нанотрубки представляют собой полые трубки из одного или нескольких слоев атомов углерода. Они имеют диаметр от одного до нескольких нанометров и длину от нескольких диаметров до нескольких микронов. Таким образом, они по сути являются полыми волокнами, имеющими запредельную прочность, превышающую сотни гигапаскалей, и абсолютно инертны как по отношению к любым кислотам, так и к щелочам. Введенные в бетонную смесь, нанотрубки армируют цементный камень, превращая его в композиционный материал. С точки зрения здравого смысла, такой процент армирования (1·10-5%) кажется явно недостаточным, чтобы существенно повлиять на прочностные характеристики бетона. Тем не менее стойкий эффект присутствует, но возникает он не за счет непосредственного армирования, которое действительно ничтожно, а за счет направленного регулирования кристаллизационных процессов. Нанотрубки ведут себя в цементном растворе как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое весь цементный камень. На фото 1 приведены две электронно-микроскопические фотографии цементного камня, сделанные мной в 1999 г. в Технологическом институте на сканирующем электронном микроскопе при увеличении 6 000 крат. На фото 1а показана структура обычного цементного камня, а на фото 1б — такой же цементный камень после введения нанотрубок.

· Данный метод вмешательства в процессы структурообразования позволяет на 30–40% усилить прочность цементного камня и почти в три раза увеличить работу, затрачиваемую на его разрушение. К сожалению, прочность бетона при этом увеличивается в меньшей степени (примерно на 10%), так как армирование происходит на микроуровне, а на прочностные характеристики бетона куда существеннее влияет его структура на макроуровне.

· Оказать существенное влияние на структуру бетона на макроуровне можно другим способом. Наномодификаторы можно вводить не непосредственно в воду затворения, как в предыдущем случае, а в состав пластифицирующей добавки. При таком методе введения наномодификатора эффективность пластифицирующей добавки резко возрастает [5]. В этом случае в качестве наномодификатора используются уже не нанотрубки, а более дешевые астралены. Исследования, проведенные к.х.н. М.Е. Юдовичем и к.т.н. А.Н. Пономаревым, показали, что при модификации ряда пластифицирующих добавок десятитысячными долями процента астраленов расплыв конуса цементно-песчаной смеси увеличивается практически в два раза [5].

· В результате такой модификации пластифицирующих добавок можно добиться фиксированного пластифицирующего эффекта при меньшем расходе пластификатора или снизить водоцементное отношение для увеличения прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

· Таким образом, вышеприведенные примеры успешной модификации структуры цементного камня и бетона микродозами наномодификаторов свидетельствуют, что нанотехнологии могут эффективно использоваться на различных стадиях формирования структуры бетона, но сам бетон при этом в нанобетон отнюдь не превращается. Да, в его составе присутствуют молекулярные кластеры углерода, которые улучшили физико-механические и эксплуатационные свойства. Да, структурные изменения произошли именно благодаря действию наномодификаторов. Но сами изменения в структуре затронули не только наноуровень, они произошли и на субмикроскопическом, и на микроскопическом уровнях. Частично изменилась даже макроструктура. Бетон стал модифицированным. «Модифицированный бетон» звучит, конечно, менее амбициозно, чем «нанобетон», но это более привычный, устоявшийся и проверенный временем термин. Этот термин более точен. Пусть он пока и остается.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Наука на военной службе: нанотехнологии

News image

Минобороны США (DoD) начинает совместный пятилетний проект с Массачусетским технологическим институтом (MIT): военные и учёные бу...

Даже лед подчинился нанотехнологам

News image

С использованием нанотехнологий разработано принципиально новое антиобледенительное средство для защиты от наледи на дорогах, линиях эл...

В НАСА выбирают цель следующей миссии

News image

В настоящее время у НАСА имеется три предложения касательно целей будущей миссии, космический аппарат которой со...

Оружие возмездия: система автоматическог

News image

Россия обладает единственным в мире оружием, гарантирующим ответный ядерный удар по противнику даже в том ко...

Имитация кимберлита

News image

Алмаз — абсолютно незаменимый материал в самых разных областях человеческой деятельности, начиная от ювелирной и об...

Сверхполиэтилен

News image

Кризис — хорошее время, чтобы избавиться от старого производства на устаревшем оборудовании и при наличии ср...

10 фактов об устрашающем адронном коллай

News image

Новость о проводимом в Европе эксперименте сколыхнула общественное спокойствие, поднявшись на первые позиции списка обсуждаемых те...

Фракталы

News image

Нравится ли вам смотреть на ночные молнии или представлять синии всполохи ветвящихся разрядов электрического оружия на...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Обои смогут защитить здание от повреждений

Berry Plastics в сотрудничестве с Army Corp of Engineers разработала новые обои, которые способны защитить здания от повреждений. Обои под на...

Новый метод создания электродов для измерения свойств н

Ученые, изучающие физические явления на наноуровне, хорошо знают, что «припаять» контакты к единичной органической молекуле зачастую намного сложнее, чем синтезировать са...

Нанотрубки научились получать в промышленных масштабах

Углеродные нанотрубки, основу для сверхпрочных материалов, можно будет получать в промышленных масштабах: благодаря изобретению американских химиков их стоимость заметно снизится. Нанотрубка – ...

Ученые проложили проводку в клеточной мембране

Ученым удалось передать и получить электрический импульс по клеточной мембране при помощи искусственно созданной нанопроволоки. Созданную ими гибридную систему авторы оп...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.