Nanotechnologie ve stavebnictví

Proč jsou důležité nanotechnologie ve stavebnictví a v čem spatřujete jejich vyšší úspěšnost oproti konvenčním technologiím?

Řekl bych, že tajemství se skrývá nikoliv v pouhé velikosti objektu s danými vlastnostmi, ale především v řádově větším povrchu, kterým disponují nanočástice, nanovlákna, respektive nanobjekty obecně. Právě řádově větší povrch propůjčuje těmto objektům mimořádné vlastnosti, které se často vymykají klasickým fyzikálním zákonům, na které jsme zvyklí v běžných materiálech. Jedná se například o teplotní nebo elektrickou vodivost, magnetické vlastnosti, různé transportní jevy, schopnosti vázat - to jest chemická reaktivita a podobně. Dalo by se zjednodušeně říci, že čím menší je objekt, tím větší je jeho schopnost ovlivňovat zmíněné děje v materiálu.

Jaké nanotechnologie se uplatňují přímo ve stavebnictví?

Ve stavebnictví jde především o nové materiály. Jedná se o nanočástice, které lze použít jako příměsi do nátěrů, omítek, betonů a podobně nebo o nanovlákna, která plní funkci buď transportní bariéry (například tepelná izolace) nebo výztužnou (rozptýlená výztuž, karbonové nanotrubky a podobně). Ze stavební chemie lze uvést nátěrové hmoty či impregnace, které regulují prodyšnost, hydrofobicitu, nasákavost, mohou působit antibakteriálně (s částicemi TiO₂, Ag), antigraffiti spreje a podobně. Nutno uvést, že veškerá tato chemie je pro masové použití zatím značně drahá. Jako příměsi do omítkovin či betonu se osvědčily částice TiO₂, které působí fotokatalyticky, což v praxi znamená, že působením ultrafialového záření se částice TiO₂ postarají o redukci škodlivin v ovzduší, rozloží bakterie a prachové částice. Ošetřený povrch si zachovává svoji barvu a čistotu. Mezi částicemi ovlivňujícími hydrataci lze uvést například nanosiliku či částice na bázi karbonu. Mezi prvními kandidáty šlo o karbonové nanotrubičky. Jejich cena je však stále značná a jejich využití například v betonu je omezené. Nemusí však jít nutně o drahé nanotrubičky, ale například částice na bázi obyčejného grafitu. Použití těchto levných částic je předmětem současného výzkumu.

Mezi nejrozšířenější stavební materiály patří beton. Jakých pokroků zde bylo dosaženo a jak mohou přispět nanotechnologie k rozvoji tohoto materiálu? Hodně často se hovoří o nanobetonu...

V případě betonu se jedná převážně o modifikaci reaktivní složky. Může to být jemně mletý cement nebo jakákoliv reaktivní přísada. Pro přípravu vysokohodnotných betonů se již delší dobu používá mikrosilika. V současnosti je k dispozici i nanosilika (veĺikost částic v desítkách nm). Nanosilika pozitivně působí na hydrataci cementu zvláště v oblasti přechodových zón cement-kamenivo. Byl prokázán kladný vliv na modul pružnosti i pevnost cementové pasty, respektive betonové směsi s příměsí karbonových nanotrubek. V tomto případě se však pravděpodobně jedná o efekt nikoliv výztužný, jako v případě rozptýlené výztuže, ale o efekt sekundárních nukleačních zrn, které tak ovlivňují proces hydratace cementu. Pro úpravu zpracovatelnosti se mohou použít nanojíly, které lokálně snižují viskozitu a působí obdobně jako plastifikátory. Navíc se zabudovávají do hydratující cementové matrice.

Bude tady ale určitě nějaká zdravotní rizika nanotechnologií?

Každá technologie s sebou nese nějaká zdravotní rizika. Samotná velikost částic či vláken je nebezpečím pouze v případě, že se nějakým způsobem dostanou do živého organizmu a to vdechnutím nebo s potravou. Podle typu částic mohou tyto objekty vyvolat karcinogenní reakci. Nicméně nanočástice nejsou pouze výtvorem člověka. Existují na této planetě od nepaměti jako prachové částice, barviva, částice jílu a podobně. Se všemi těmito částicemi se příroda umí vypořádat. Jakmile jsou například částice vázány ve vodním či jiném roztoku, nepředstavují takový problém. Podobně je tomu v případě nanočástic používaných do nátěrů či jako příměs do betonu. Jakmile jsou vázány v roztoku, nemohou se volně pohybovat a dostat se tak do živých organizmů vzdušnou cestou. Částice s nanorozměry mají také obecně tendenci ke shlukování do větších celků v důsledku povrchových sil. Jejich oddělení je často možné pouze ve speciálním prostředí (tzv. funkcionalizace). Největší nebezpečí v podobě uvolnění částic do okolí je v době jejich výroby a na konci životnosti. V obou případech jde většinou o kontrolované procesy. Možné uvolnění během provozního života konstrukce tu je jistě také v závislosti na charakteru používání a vystavení konstrukce povětrnosti, abrazivům a podobně. Tato oblast zatím není plně prozkoumána.

Jak je na tom český trh a český výzkum ve srovnání s ostatními státy Evropské unie?

Myslím, že český trh nezaostává, co se týče nabídky, která je navíc podpořena nadnárodními společnostmi. Avšak použití nanotechnologií je jistě limitováno finančními požadavky investora. Proto je důležité investice vážit vzhledem k celkovým nákladům během celé životnosti konstrukce, nákladům na údržbu a podobně. A zde je situace zatím investory jistě podhodnocena, protože investice do budoucích nižších nákladů na údržbu by se měla vyplatit.

V oblasti výzkumu, alespoň co se týká Stavební fakulty ČVUT v Praze se dá říci, že držíme krok se světovou špičkou. Jsme členy konsorcia Nanocem (www.nanocem.org), což je sdružení několika desítek průmyslových a akademických partnerů z celé Evropy, založili jsme Centrum pro nanotechnologie, dlouhodobě se zabýváme výzkumem nejen stavebních hmot v oblasti mikromechaniky.

Daly by se shrnout do několika vět současné trendy v oblasti nanotechnologií ve stavebnictví?

V současné době dochází k rozvoji přípravy nanovlákem, které se připravují metodou elektrospiningu. Mezi známé výrobce zařízení pro přípravu nanovlákem patří i česká firma Elmarco. Nanovlákna, respektive nanosítě našly svoje uplatnění v oblasti filtrace vzduchu, kapalin nebo jako antibakteriální filtry ve zdravotnictví. V současnosti se testuje i jejich použitelnost pro oblast stavebnictví pro jejich bariérové vlastnosti (prodyšnost, nasákavost) ale i teplotní odpor. Na stavební fakultě ČVUT v Praze bylo v roce 2010 založeno pracoviště Nanotechnologií, které se přímo zabývá jejich možnými aplikacemi ve stavebnictví.

Lze v tomto ohledu očekávat nějaké výrazné změny ve stavebnictví v nejbližší době?

Rozvoj nových technologií ve stavebnictví je historicky limitován jednak konzervatismem pro použití všeho nového, což je celkem logické vzhledem k velkému rozsahu a délce životnosti konstrukcí. Další otázka je finanční náročnost. Takže obecně lze očekávat rozvoj v oblastech, kde budou minimálně několikaleté zkušenosti a kde výrobní cena bude buď nízká, a nebo bude vyvážena výrazně pozitivními účinky. V současnosti lze toto předpokládat u nových typů nanovláken, tepelných izolací, u povrchových vrstev s definovanými vlastnostmi (ošetření pomocí nanočástic a nanovláken) a přísad do betonu a omítkovin, které ovlivňují zpracovatelnost směsi a její trvanlivost.

Děkuji za rozhovor,
Vlastimil Růžička