Công nghệ nano và ứng dụng công nghệ nano trong xây dựng
Cách đây hơn 40 năm, tại một hội nghị vật lý quốc tế
lần đầu tiên các nhà khoa học nêu ra ý tưởng về dùng máy móc nhỏ để chế
tạo ra máy móc nhỏ hơn và sắp xếp từng nguyên tử để tạo ra sản phẩm.
Đây là giấc mơ sớm nhất của con người về công nghệ nano. Từ đó đến nay
hàng loạt các phát minh quan trọng đã lần lượt xuất hiện: Kính hiển vi
soi ngầm; ống cacbon nano; dùng điện trở di chuyển điện tử; công năng kỳ
diệu của kim loại nano,... mở đường cho công nghệ nano (CNNN) phát
triển.
CNNN là một công nghệ mới nhất, mới
nổi lên từ thập kỷ 1980, nghiên cứu đặc tính và quy luật vận động của
điện tử, nguyên tử, phân tử, cho phép xử lý vật chất, vật liệu với kích
thước dưới 100 nanomét. Thế nhưng ảnh hưởng của danh từ khoa học công
nghệ mới mẻ này đối với các ngành các nghề trên thế giới thì không còn
nghi ngờ gì nữa. Năm 1999 CNNN từng bước đi vào thị trường với doanh số
sản phẩm nano cả năm đạt 50 tỷ đô la. Thời đại của nano đang tiến đến.
Vật liệu nano (VLNN) là cơ sở của CNNN. Do bốn hiệu ứng về kích thước
nhỏ, đường hầm lượng tử, bề mặt và mặt tiếp xúc nên VLNN có nhiều đặc
tính về điện, từ, quang, nhiệt, cơ học, xúc tác và sinh học v.v.... rất
mới mẻ kỳ lạ. Vì vậy CNNN được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
điện tử, máy móc, sinh học, xây dựng,... CNNN đã trở thành công nghệ cơ
bản của thế kỷ 21. Có thể nói nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật mới.
VLNN được phức hợp bằng hạt nano và một số vật liệu truyền thống đã trở
nên quen thuộc, được sản xuất trên quy mô công nghiệp và thương phẩm hoá
rộng rãi.
Có thể nêu ra một số ứng dụng của CNNN và VLNN trong lĩnh vực xây dựng như sau:
1. Ứng dụng VLNN trong lĩnh vực tường màn xây dựng:
- Kính cho thêm hạt nano của vật liệu nào đó sẽ có tính dẻo tốt và cường
độ được nâng cao, khả năng xuyên sáng không bị ảnh hưởng, cản được tia
tử ngoại, bức xạ sóng ngắn. Kính nano có thể thay thế kính truyền thống
hoặc kính mạ tráng.
- Bột nano của một số vật liệu có thể dùng làm lớp sơn có khả năng tự
làm sạch, không dính nước và dầu, chống bụi bẩn, chịu ma sát, chống gỉ,
chống lão hoá. Nó có thể thay thế cho sơn tường màn hiện nay như florua
cacbon tĩnh điện, mỡ polyamin, điện di,....
- Gốm sứ kết cấu nano có cường độ và tính dẻo cao gấp nhiều lần gốm sứ
truyền thống, ngoài ra có tính năng chịu nhiệt, chịu ma sát, chống ăn
mòn trong khi tỷ trọng chỉ bằng 2/5 sắt thép. Nó đã và đang được ứng
dụng trong các ngành công nghiệp ở nhiều nước. Gốm sứ kết cấu nano và
kính vi tinh thể nano sẽ thay thế đá tự nhiên trong lĩnh vực tường màn
xây dựng.
- Nhôm cho thêm hạt nano của vật liệu nào đó sẽ có cường độ và tính dẻo
tăng gấp hai lần. Đây là công nghệ quan trọng được các doanh nghiệp sản
xuất tấm nhôm và vật liệu nhôm tường màn xây dựng áp dụng để nâng cao
tính năng sản phẩm.
- Chất dẻo phức hợp nano có cường độ và tính dẻo tương đương thép, trong
khi nó dễ gia công hơn thép, lại có khả năng chống tĩnh điện, cản tia
tử ngoại, khó bị lão hoá, v.v... Hiện nay chất dẻo phức hợp nano đã và
đang được ứng dụng rộng rãi tại Trung Quốc và nhiều nước khác. Cửa và
tường màn xây dựng bằng chất dẻo phức hợp nano rất có thể sẽ thay thế
cửa chất dẻo và cửa nhôm truyền thống.
- Vật liệu cách nhiệt nano, keo kết cấu silicon nano, keo dán nano v.v... nâng cao các tính năng của tường màn xây dựng.
Vật liệu phức hợp nano và CNNN sẽ ảnh hưởng sâu sắc tới vật liệu hình
nhôm, tấm nhôm, kính, vật liệu hình chất dẻo, đá tự nhiên, gốm sứ, keo
dán, keo kết cấu, v.v... trong ứng dụng vào tường màn xây dựng.
2. Ứng dụng công nghệ nano vào khuôn đúc vật liệu xây dựng:
Trong kỹ thuật chế tạo khuôn đúc hiện nay, kỹ thuật cắt bằng tia lửa
điện cho hiệu quả cao tuy vậy không được ứng dụng rộng rãi do không phù
hợp với khuôn đúc bằng thép thông thường, khuôn đúc gốm sứ, khuôn rót
nhựa,... Vì vậy, cần phải phát triển ngành sản xuất khuôn đúc. Nếu dùng
VLNN làm khuôn đúc thì có thể giải quyết được những khó khăn kỹ thuật
khó khắc phục khi chế tạo trước đây như nứt chân chim, biến dạng v.v...
khuôn không bị rạn nứt trong quá trình thi công. Khuôn đúc bằng VLNN sẽ
có độ dẻo nhỏ, độ cứng, độ sáng bóng bề mặt cao, tuổi thọ và độ chính
xác của khuôn đúc tăng.
Áp dụng CNNN có thể dùng khuôn đúc để sản xuất các linh kiện tinh xảo
với độ chính xác cao, thể tích nhỏ, bề mặt linh kiện nhẵn bóng, không
đòi hỏi gia công tinh.
3. Ứng dụng CNNN trong sản xuất sơn xây dựng kiểu mới:
Những nhược điểm của sơn xây dựng truyền thống như: Tính chống ô nhiễm
bên ngoài kém; không bền màu; kém chịu tác động của khí hậu; bay hơi
nhiều chất hữu cơ làm ô nhiễm không khí sẽ được khắc phục nhờ ứng dụng
CNNN.
VLNN nâng cao tính chịu tác động khí hậu của sơn. Những nghiên cứu thử
nhiệm cho thấy ôxit titan có thể cản tia tử ngoại trong ánh sáng mặt
trời, do vậy đưa VLNN đã qua xử lý vào sơn có thể nâng cao độ cứng của
màng sơn, sự bền chắc, tính ổn định... của sơn, từ đó nâng cao tính chịu
tác động khí hậu.
VLNN giúp cho sơn bền màu hơn. Các màu sắc của sơn không thể tách rời
yếu tố tạo màu là vữa màu. Vữa màu hữu cơ có màu sắc phong phú, ứng dụng
rộng rãi. Việc cho thêm VLNN ổn định ánh sáng vào vữa màu hữu cơ sẽ
giúp vữa màu không bị thay đổi màu sắc, giữ cho màu luôn tươi sáng, phát
huy đầy đủ tính gợi cảm của sơn.
VLNN nâng cao khả năng chống bẩn và chống thấm của sơn. Cho thêm VLNN
vào sơn xây dựng truyền thống thì tính năng này sẽ tăng gấp nhiều lần.
Nước sẽ đọng thành giọt nhỏ rồi nhanh chóng chảy tuột đi trên bề mặt
sơn, như vậy tạp chất trong nước không bám lại trên bề mặt, giảm bớt ô
nhiễm của nước đối với sơn.
VLNN giúp sơn bền chắc khi bị chà xát tẩy rửa. VLNN giúp tăng độ cứng
màng sơn, kéo dài cường độ, tính năng chống thấm và chống dây bẩn của
sơn nên số lần chịu tẩy rửa rất cao, có thể dùng nước cọ rửa vết bẩn
trên bề mặt sơn.
VLNN tạo cho sơn công năng chống khuẩn. VLNN đã qua xử lý bề mặt kết hợp
với nhựa axeton nguyên chất tạo nên loại sơn nano có khả năng diệt trực
khuẩn đại tràng, cầu khuẩn, hiệu quả kháng khuẩn trong 24 giờ đạt tới
99,9%. Sơn làm sạch không khí trong phòng, thời gian kháng khuẩn của nó
kéo dài đến 5 năm.
Ứng dụng VLNN là một trong những biện pháp nâng cao tính năng của vật
liệu sơn truyền thống. Cần phải triệt để tận dụng các đặc tính của VLNN,
ứng dụng chúng hợp lý, đẩy mạnh ứng dụng VLNN trên quy mô công nghiệp,
tạo điều kiện để CNNN phục vụ sự nghiệp xây dựng một cách thiết thực.
4. Ứng dụng VLNN trong công trình xây dựng:
Ngôi nhà đầu tiên ứng dụng CNNN được xây dựng tại thành phố Sydney
(Ôxtrâylia) đã thu hút được sự quan tâm của nhiều tổ chức thương mại và
phi thương mại trên thế giới. Ngôi nhà có khả năng tự bảo dưỡng, môi
trường hoạt động có năng suất cao và chi phí bảo trì thấp. Mái nhà bằng
kim loại được sơn phủ thêm lớp vật liệu nano có khả năng tự điều chỉnh
nhiệt độ của nó để cân bằng môi trường khí hậu trong nhà.
Tương tự như vậy, các bức tường đều được gắn cảm biến nano do vậy nhiệt
độ phòng có khả năng tự điều chỉnh tăng giảm tuỳ theo thời tiết. Bề mặt
bệ bếp được làm bằng ôxit titan khi bị bẩn sẽ tự làm sạch ngoài ra còn
có thể ngăn chặn vi khuẩn nấm mốc. Gạch men phòng tắm được phủ lớp vật
liệu nano chống sự đóng váng của bọt xà phòng. Các bộ phận kết cấu được
lắp linh kiện cảm ứng để giám sát khả năng chịu lực, sự biến dạng, lún,
nứt rạn, ăn mòn.... giúp xử lý chúng kịp thời.
Hệ thống chất dẻo nano gồm 4 lớp: Lớp trang trí ngoài cùng, sau đó đến
lớp cung cấp điện, lớp gắn chíp điện tử để nhận biết sự thay đổi của môi
trường bên ngoài, tiếp nhận và truyền sóng viba điều tiết âm thanh; lớp
trong cùng dự trữ và cung cấp nước sinh hoạt.
Cửa sổ mái lắp kính quang hợp ánh sáng sẽ hấp thụ phần lớn nhiệt năng và
phản xạ ra ngoài nên không gây cảm giác bức xạ nhiệt, lớp kính luôn ở
trạng thái mát mẻ. Cửa kính phủ lớp ôxit titan chống được sự bám của bụi
bẩn. Cửa còn có bộ lọc tia cực tím và lớp màng chất dẻo hạt nano trong
suốt cản nhiệt mạnh và điều khiển ánh sáng. Khi bật tivi, cửa sổ sẽ tự
động tối lại để người xem tivi không bị chói mắt. Lúc trời quá nắng rèm
cửa được điều khiển bằng động cơ sẽ tự động hạ xuống.
CNNN với những bước phát triển vượt bậc đang được ứng dụng trong lĩnh
vực xây dựng nhà ở nhằm tạo ra những ngôi nhà thông minh, tự xử lý các
tình huống như một thực thể sống.
Các công trình thể thao phục vụ Đại hội thể thao Olympic sẽ được tổ chức
tại Bắc Kinh Trung Quốc vào năm 2008 cần đáp ứng được những yêu cầu cao
về tính bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng của vật liệu được sử
dụng trong xây dựng chúng. Vì vậy các nhà xây dựng Trung Quốc đã lựa
chọn loại sơn nano để sơn tường và sàn cho nhà thi đấu ở Bắc Kinh - một
công trình quan trọng phục vụ cho Đại hội thể thao này. Hội đồng nghiệm
thu đã đánh giá rất cao chất lượng của tường và sàn công trình được sơn
loại sơn nano nói trên, mở ra một triển vọng mới cho việc sử dụng rộng
rãi sơn nano trong xây dựng các công trình thể thao hiện đại.
Việc ứng dụng CNNN và VLNN trong lĩnh vực xây dựng chắc chắn sẽ đem lại
cho công trình những chất lượng mới với những tiến bộ vượt bậc.