5 مصالح نوین برای آینده از گرافین تا بتن تقویت شده با نانو کریستال

امروزه بلوک های ساختمانی آینده، در آزمایشگاه های تحقیقاتی در حال توسعه هستند. از تولید گرافین تا متا متریال (ماده ای که دارای خواص نامتعارف الکترو مغناطیسی در ساختار درونی خود هستند). که شکل و عملکرد متعارف مصالح ساخت و ساز را مورد بازنگری قرار می دهد. در ادامه پنج مصالح نو آورانه معرفی خواهد شد که به صورت بالقوه قادر به تغییر معماری امروز، فردا و آینده را دارد.

مصالح نشکن

جولیا گریر (Julia R. Greer)، پروفسور علوم و مهندسی مواد در موسسه تکنولوژی کالیفرنیا، با استفاده از لیتوگرافی دو فوتونی، نانو خرپاهای پلیمری دقیقی تولید می کند که با مصالحی مانند فلز یا سرامیک پوشش داده می شود. درون حجم خالی می شود تا پلیمر حذف شود و سپس یک نانو خرپا که خود از نانو خرپاهای کوچکتر تشکیل می شود در یک ساختار فراکتال شکل می گیرد. مصالح جدید ایجاد شده خواص ساختاری و مادی واسط های تشکیل دهنده اش را به یکدیگر پیوند می دهد (مانند فلز یا سرامیک) تا خصوصیاتی که قبلا برای این مواد ناشناخته بود، از جمله ضعف در پایداری یا حافظه شکلی (قابلیتی که وقتی ماده در اثر تغییرات شرایط تغییر شکل می دهد قابلیت باز گشت به شکل اولیه خود را دارد)، را دارا شود.

آزمایشگاه در تلاش است تا این فرایند عمل آوری را از اندازه میلیمتری فعلی آن تا وقتی که به اندازه یک ورق کاغذ می رسد تناسبات و مقیاس بدهد. اما نبایستی انتظار داشت تا متامتریال ها را به عنوان اعضای سازه ای یا پوشش ساختمان ها دید، چرا که کاری که انجام شده تا حد محصولات ساختمانی گسترده نشده است.

در عوض، استفاده های احتمالی این محصول در فضایی از جمله سلول های باطری، پنجره های هوشمند، مبدل های حرارتی و توربین های بادی است. با این مصالح می توان کاغذی ساخت که خیس نمی شود، عایق حرارتی است، و غیر قابل انعطاف است.

انعطاف پذیری و سطحی که به صورت خود کار تمیز می شود

این محصول قابل کاربرد برای سطح شیشه، فلز، کاغذ و دیگر مصالح می باشد. این پوشش مصالحی جدید از محققان دانشگاه لندن است که حتی پس از اینکه سطح آن دچار خراشیدگی شود یا در معرض چربی قرار گیرد، در برابر نفوذ رطوبت مقاوم است ( عواملی که معمولا به عنوان نقاط ضعف در پوشش هایی که دافع رطوبت هستند مطرح می شوند). این پوشش که دافع رطوبت می باشد، از پوشش نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید است. سطح پوشیده شده از این محصول دافع آب، چربی و انواع نوشیدنی ها می باشد، به طریقی که مواد تهاجمی از سطح را دفع کرده و آلودگی را می زداید.

اگر چه در حال حاضر این پوشش تنها بر روی سطوح به ابعاد 20 سانتی متر مربع اعمال می شود (هیچ دلیلی برای عدم توانایی در افزایش این مقیاس پیدا نشده است). گروه طراح این محصول همچنین در مورد رنگ اتومبیل ها صحبت می کنند و پوشش ضد آبی که در این تکنولوژی محقق است. این محصول در نهایت قابل کاربرد یک نمای مقاوم که به صورت خود کار تمیز می شود که کاربری بسیار زیادتری به نسبت مصالح موجود در بازار را دارد.

خم کننده های موجی

محققان در دانشگاه میسوری راه جدیدی را پیش گرفته اند تا موجهای الاستیکی را کنترل کنند. این موج ها از درون مصالح بدون اینکه در ترکیب آنها تغییر ایجاد کنند، گذر می کنند. این موجها قابلیت محافظت از سازه را در برابر لرزش دارد. این تیم الگوی میکرو ساختاری هندسی  را بر روی یک صفحه فلزی ایجاد و حکاکی کرده تا موج های الاستیکی و آکوستیکی را خم کرده و ازیک نقطه هدف منکسر کند.

با تغییر جهت امواج شوک ( امواجی که ماورای صوت حرکت می کنند) که انرژی بسیار زیادی را پیرامون شالوده های با اهمیت و یا ساختمان های مسکونی از طریق یک پوشش متا متریالی حمل می کنند، زندگی افراد و اموال عمومی را می توان از زلزله های فاجعه بار و سونامی محافظت کرد. این تیم فولاد را به دلیل فرا گیر بودن آن انتخاب می کند اما دیگر فلزات و پلاستیک نیز می تواند به جهت داشتن خواص مشابه مهندسی شود.

گرافن بیشتر و بهتر

محققان کالتک می گویند که آنها راه سریعتری برای تولید انبوه گرافن (نانو متریالی فوق العاده باریک و فوق العاده محکمی که در دانشگاه منچستر در UK در سال 2014 کشف شد) و با کیفیتی بالاتر از آنچه قبلا بوده است، یافته اند. روش پردازش دسته ای آنها امکان رشد ورق های نرم تر و محکمتری از ورق های گرافن در مقایسه با فرایند حرارتی معمولی فراهم می کند، در حالی که زمان تولید مواد را از ساعت به دقیقه کاهش می دهد و ابعاد نمونه را از میلیمتر به اینچ افزایش می دهد. این فرایند نیاز به توسعه تجهیزات فرایند جدید یا زیر سازی ندارد. این یک فرایند سازگار است. با این حال بیشتر برنامه های کاربردی گرافن در معماری محصولات با مقیاس کوچک هستند مانند پوشش ها، سلول های خورشیدی و الکترونیک.

بتن مقاومتر

در دانشگاه پوردو محققان نانو کریستال های سلولزی که از فیبر چوبی مشتق می شود را به بتن اضافه کرده اند. مواد تقویت شده نانو به طور معمول به لحاظ خواص مکانیکی و شیمیایی،  از موادی که به جای آن قابل کاربرد هستند بهتر عمل می کنند. این خواص عبارتند از مقاومت، مقاومت در برابر ضربه و انعطاف پذیری. هنگامی که به مصالح ساختمانی مانند بتن، این ماده اضافه شود به کاهش اثرات زیست محیطی کمک می کند، به این ترتیب که با مصالح کمتر به نتیجه مشابه حاصل می شود.

افزودنی نانوکریستال می تواند به عنوان یک محصول جانبی در تولید صنعتی، زیست انرژی و تولید کاغذ استخراج شود. محققان می گویند که علاوه براینکه افزودن این ماده سرعت فرآیند بتن سازی را بالا می برد، باعث می شود که بتن بتواند از آب به طور موثرتری استفاده کند،  بدون اینکه بر وزن و چگالی آن را به میزان قابل توجهی تاثیر داشته باشد.

جوردی یانگ بلود، دانشیار پوردو می گوید، مصالح ساختمانی یکی از برنامه های مورد نظر برای افزودن افزودنی است، اما تیم همچنان تلاش می کند تا مقیاس آن را که ابعاد فعلی آن 1 فوت طول با قطر 6 اینچ است را ، به همراه ارزیابی داده ها برای استاندارد سازی و بهینه سازی رفتار مواد توسعه دهد.