Potenciál nanomateriálů ve stavebnictví

Stojíme na prahu nové průmyslové revoluce. Pokročilé materiálové a informační technologie mění svět a životy lidí, prostupují všechny obory a oblasti lidské činnosti. V materiálových technologiích se člověku podařilo sestoupit až do nanoměřítka¹ na úroveň základních stavebních bloků hmoty, molekul a atomů, kde je možné vytvářet zcela nové vlastnosti i typy materiálů. Získáním kontroly nad hmotou v nanoměřítku totiž bereme do hry jiné fyzikální zákony než ty, které ovládají viditelný svět.

Začátek komerčního využití nanotechnologií se zhruba kryje se začátkem 21. století. Jedním z důležitých mezníků v rozvoji tohoto oboru se stal rok 2004, kdy byl ohlášen objev grafenu, prvního z řady tzv. 2D materiálů se supervlastnostmi, a shodou náhod byl ve stejném roce v České republice patentovaný stroj na průmyslovou výrobu nanovlákna Nanospider. Slovo průmyslový signalizuje, že nanovlákno opouští laboratoře a vstupuje do skutečné průmyslové výroby. Česká republika se tak stala jedním ze světových inkubátorů aplikací nanotechnologií.

Předpokládá se, že se v blízké budoucnosti nanotechnologie budou uplatňovat zejména v podobě chytrých materiálů, v oblasti senzoriky, v biomedicíně, elektronických obvodech obecně, ukládání velkých dat a v energetice. Nanotechnologie jsou svou podstatou interdisciplinární, lze je využít ve všech odvětvích od medicíny, přes textilní průmysl, enviromentální aplikace, elektroniku až po energetiku. I v tak konzervativním oboru, jako je stavebnictví, kde se tradičně inovace prosazují obtížněji, se budou nanotechnologie v blízké budoucnosti stále více objevovat.

Nanostruktura polymeru vyrobená v Kalifornském technologickém institutu

Výroba nanovlákna na stroji Nanospider
(copyright Asociace nanotechnologického průmyslu ČR)

Grafen

Grafen má potenciál stát se základním stavebním materiálem, který zcela změní způsob, jakým stavíme a konstruujeme. Chemicky se jedná o hexagonální formu uhlíku, tedy prvku, který je prakticky všude. Je vedle vodíku základním stavebním kamenem všech organických sloučenin. Grafen je mnohem pevnější než ocel nebo karbonové vlákno, je ultralehký, ultratenký, průhledný, supervodivý a recyklovatelný. Tloušťka grafenu je pouhá jedna molekula, proto označení 2D. Metod výroby grafenu je v současnosti už známých celá řada, například průhledné displeje nebo ohebné grafenové fotovoltaické články se vyrábějí tzv. chemickou depozicí z plynné fáze (CVD), kde dochází za vysokých teplot k usazování tenké uhlíkové vrstvy na měděné podložce, která se následně rozpustí. CVD patří mezi preferované metody, nicméně se stále hledají další způsoby, které by umožnily skutečně levnou průmyslovou výrobu kvalitního grafenu ve velkém množství. Ve stavebnictví se uvažuje o používání kompozitních materiálů na bázi grafenu.

Nanotrubičky v betonu

Modifikace cementové matrice nanočásticemi zlepšuje vlastnosti betonu a vede k vytvoření lepší struktury, která je méně pórovitá a celkově pevnější. Přimícháním uhlíkových nanovláken (CNF) do betonu se dá zlepšit odolnost vůči průniku vody a také mechanické vlastnosti jako např. pružnost v tahu, prodlužuje se i životnost. Vedle uhlíkových nanovláken se jeví jako velmi perspektivní pro technologii výroby betonu i  uhlíkové nanotrubičky, nanosilika, nanovápenec nebo nanojíly. Zvyšují podobně jako CNF pevnost betonu a jeho odolnost proti vzniku mikrotrhlin. Vypadá to, že v blízké budoucnosti třeba železobeton nahradí nanobeton. V současnosti tomu ještě brání relativně vyšší pořizovací cena, ale to se může s rychle rostoucí globální produkcí nanomateriálů brzy změnit.

Uhlíková nanovlákna zpevňují praskliny v betonu (viz příloha).

Samočisticí nátěry FN NANO (copyright Asociace nanotechnologického průmyslu ČR)

Samočisticí povrchy

Vylepšení betonu nanotechnologiemi může mít ale ještě jinou podobu. Italská firma Italcementi si patentovala technologii TX Active. Jedná se o využití fotokatalytických vlastností nanokrystalků dioxidu titanu v cementu. Beton z tohoto cementu v přítomnosti UV záření rozkládá všechny organické molekuly, které se přiblíží k jeho povrchu. Tento beton tedy má dezinfekční a samočisticí schopnosti. Na stejném principu, ale s mnohem větší účinností, fungují české fotokatalytické nátěry FN NANO. Lze je použít na stropy a stěny v interiérech, kde například ulehčí spánek alergikům a lidem s oslabenou imunitou tím, že ze vzduchu odstraní všechny patogeny včetně alergenů. Druhou možností je venkovní nátěr fasády, která bude ve dne za světla čistit sama sebe i vzduch ve svém okolí.

Nanovlákno je tisíckrát tenčí než lidský vlas

Průměr nanovlákna je něco kolem 100 až 150 nanometrů. Jedním ze způsobů jeho výroby je elektrostatické zvlákňování ve zmíněném zařízení Nanospider. V Nanospideru vzniká tenká pavučinka slepených nanovláken, jejíž otvory jsou stejně jako průměr nanovláken velmi malé, řádově v desítkách až stovkách nanometrů. Požadovaná velikost se dá při výrobě nastavit. Vznikne nanomembrána, která dokáže zadržet velké molekuly, bakterie i viry a propustí pouze malou molekulu, např. kyslíku. Její využití ve stavebnictví je například nasazení jako filtry ve vzduchotechnice v prostorech s extrémně vysokými nároky na čistotu. Nanomembránu lze také použít jako součást síťky do oken, která zadrží všechny nečistoty, patogeny, exhalace a pyl přicházející při otevřených oknech z venku, což je zejména problém bydlení ve velkých městech. Blokuje ale i silný vítr a částečně slouží jako tepelná izolace. Nanomebrána může být zároveň součástí filtrace vody. Takové zařízení by teoreticky dokázalo uzavřít vodní cyklus v bytové jednotce, nanofiltry totiž vyrobí pitnou vodu z jakkoli kontaminované odpadní vody, i z moči a stolice. Jiné použití nanomembrán patří pak už k výbavě bydlení, dobrým příkladem mohou být protiroztočové lůžkoviny nanoSPACE s nanomembránou pro alergiky.

Aerogel izoluje lépe než sklo

Aerogel je materiál z křemičitých dutých nanokoulí. Díky jejich uspořádání a tvaru má materiál obrovský vnitřní povrch, velmi nízkou hustotu a vysokou pórovitost. Typická velikost pórů je pouze několik nanometrů. Tento nanomateriál má 40x lepší izolační vlastnosti než sklo a přitom váží jen tisícinu jeho hmotnosti Patří mezi nejlehčí pevné materiály, nicméně má velmi dobré mechanické vlastnosti. V Evropě se jeho vývojem a komercializací pod značkou Quartzene zabývá švédská firma Svenska Aerogel. Pokud jím nahradíte standardní izolační materiály, sníží se podle výrobce spotřeba energie budovy na polovinu. Nebo naopak při zachování stejné úrovně tepelné izolace nasazením aerogelu o polovinu snížíte tloušťku izolační vrstvy. Aerogel lze použít i ve formě speciálních izolačních nátěrů, které snižují zahřívání povrchů.

Aerogel

Nanooptika tvaruje světlo

Světelné zdroje jsou důležitou součástí každé stavby. Světelné technologie udělaly v posledních letech obrovský pokrok a masivně se prosadily výkonné LED zdroje. Plnému využití jejich potenciálu ale paradoxně brání stále používaná klasická skleněná nebo plastová optika, která omezuje designéry a architekty svou rozměrností a často i cenou. Nanotechnologie přinášejí řešení v podobně tzv. nanostrukturace plochého povrchu. Vznikne povrch, který funguje jako plochá čočka, cílené lomy a interference umožňují přesné směrování paprsků a kuželů světla. Taková optimalizace umožní nejen zmenšit při zachování světelného výkonu zdroj, ale otevírá zcela nové možnosti v designu a konstrukci. V České republice se touto technologií zabývá firma IQ Structures. Lisování plastové nanooptiky má potenciál nahradit kvalitativně, technologicky i ekonomicky zaostávající a náročné lisování a broušení skla.

Decentralizované zdroje energie

3D baterie HE3DA (copyright Asociace nanotechnologického průmyslu ČR)

Energetika je jednou z klíčových technologií, které určují povahu civilizace. Během předchozích průmyslových revolucí se prosadilo centralizované zásobování elektrickou energií z velkých elektráren, fungujících zpravidla na bázi fosilních paliv a uranu. Nová průmyslová revoluce 21. století směřuje k výrazné decentralizaci a výrobě energie z obnovitelných zdrojů, kde dominuje slunce. Už dnes se každý dům pomocí fotovoltaických panelů může přeměnit na jakousi mikroelektrárnu, decentralizaci ale brání nedořešený způsob efektivního skladování energie. Baterie jsou stále drahé, nemají v přijatelných rozměrech dostatečnou kapacitu a problematická je i bezpečnost provozu. Nanotechnologie nasazením 2D materiálů a kvantových teček mohou významně zvýšit účinnost fotovoltaických systémů, velmi slibný je grafen a perovskit. Co je ale ještě důležitější, že jejich využití v konstrukci baterií, palivových článků nebo superkondenzátorů směřuje k levné a efektivní akumulaci energie. Českým patentem, který má šanci v mezinárodní konkurenci uspět, je 3D baterie HE3DA. Využívá anorganická nanovlákna v separátoru a celá její konstrukce je kromě elektrolytu nehořlavá. Baterie se minimálně zahřívá i při tvrdém zkratu, je zcela vyloučená exploze nebo vznik požáru. Jedná se o první 100% bezpečnou baterii na světě. Díky nanomateriálům se zároveň srovnatelně rychle nabíjí jako její zahraniční konkurenti.

Nanocelulóza je pevná jako ocel

Nanokrystalycká celulóza patří mezi supermateriály nanotechnologů. Vyrábí se zpracováním dřevěné kaše, surovinou tedy mohou být třeba piliny nebo jiný dřevěný odpad. Je to levný materiál, který je díky své nanostruktuře pevný jako železo. Používá se ve formě krystalů nebo vláken v různých průmyslových odvětvích, lze z ní vyrobit ohebné displeje i lehké osobní brnění pro vojáky. Ve stavebnictví by se mohla stát novým ekologickým stavebním materiálem. Je průhledná, pevná a tenká, mohla by nahradit plasty a sklo. Její kompozity mají podobné vlastnosti jako ocel, nicméně jsou mnohem pevnější a lehčí, mohly by se stát jedním ze základních konstrukčních materiálů. V podobě tzv. biopěny má nanocelulóza vynikající izolační vlastnosti, podobně jako aerogel by šla využít jako vysoce efektivní a lehký nový izolační materiál.

Nanomateriály přinášejí do konzervativního oboru stavebnictví skutečnou technologickou revoluci. Dnes ještě nedokážeme odhadnout dobu nutnou na jejich definitivní prosazení. Překážkou je často stále vyšší cena nebo ještě ne zcela dokončený aplikovaný výzkum. Na konci této stavební (nano)revoluce je dům vyrobený z chytrých materiálů, který je energeticky nezávislý na svém okolí, který uzavřel svůj vodní cyklus a chová se maximálně šetrně k životnímu prostředí.

¹ Jeden nanometr je jedna miliardtina metru, Označení nano je z řečtiny, kde znamená trpaslík. Definice nanotechnologie zpravidla odkazují na manipulaci s hmotou o rozměrech desetin až stovek nanometrů.