CC BY
164
ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
С.В. Кузнецов,
соискатель кафедры маркетинга Санкт-Петербургского государственного университета экономики и финансов
В статье рассматриваются перспективы внедрения нанотехнологий в строительную отрасль. Приведены основные направления деятельности корпорации РОСНАНО по развитию производства новых композиционных материалов.
Ключевые слова: РОСНАНО, нанотехнологии в строительстве, модернизация строительной отрасли, производство композиционных материалов.
УДК 338 ББК У9(2)-55я431
В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений развития науки и технологий в промышленности являются нанотехнологии и наноиндустрия. Это касается тех отраслей экономики, от состояния которых зависит решение многих социально-экономических вопросов. По масштабам будущего воздействия на человечество нанотехнологии не уступают индустриальной революции.
Строительство является той отраслью, от состояния которой зависит будущее страны. Перед строительной отраслью стоит серьезная задача по укреплению своих позиций на отечественном рынке и выходу на внешние рынки. Как никогда сегодня нужны новаторские идеи по развитию строительной отрасли, новые строительные технологии и материалы будущего. Это, прежде всего, наноматериалы и нанотехнологии.
Термин «нанотехнология» впервые употребил японский ученый Норио Танигут еще в 1974 г. В научной литературе понятие «нанотехнология» имеет несколько толкований. Однако общим для всех случаев является «работа» с наночастицами. Нанотехнология — это производство материалов и структур в масштабах до 100 нанометров1. Нанотехнология — это технология работ с отдельными атомами и молекулами и сборка из них чего-то нового. Нанотехнология — это область прикладной науки, которая занимается созданием принципиально новых инструментов и материалов сверхмалых размеров, а также изучает свойства различных веществ на атомном и молекулярном уровне. Говоря о нанотехнологии как таковой, подразумевается такая «тонкая» технология, которая позволяет управлять процессами получения материала на атомно-молекулярном уровне, т.е. с помощью атомно-молекулярного воздействия2.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
• изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
• разработка и изготовление наномашин;
• манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.
Основные этапы в развитии нанотехнологий3:
1959 г. Лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа — прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
1982-1985 гг. Достижение наукой и технологиями атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Разработки в области манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
Основными признаками нанотехнологии специалисты, хотя и неоднозначно, признают: самоорганизацию, механосинтез и самосборку нанообъектов; междисциплинарность; активный мониторинг и сопровождение процессов и объектов сбор-
ки. Признаками, по которым используемые нанотехнологии включают следующие компоненты: новые композиционные материалы, применение микротехнологий и самоорганизация используемого вещества. В вопросе развития производства са-моорганизуемых материалов наука только подошла к процессу создания новых технологий. Дело в том, что для производства нанороботов как строителей конструкций и материалов нужны сами нанороботы, а их еще не создали).
Основными продуктами нанотехнологии в России и других странах в настоящее время являются нанопорошки и наночастицы, различающиеся размерами, формой и специфическими свойствами. Они могут выполнять роль адсорбентов, катализаторов и модификаторов химических реакций, технологических и конструктивных свойств изготовляемых с их применением материалов.
Основные направления развития нанотехнологий в предпринимательской деятельности приводят к:
— улучшению материально-технической основы модернизации всей строительной сферы;
— повышению качества производства;
— решению проблемы энергосбережения;
— повышению экономической эффективности в строительстве.
Наибольшее применение в технологии производства бетонов и растворов с целью повышения прочности и других эксплуатационных свойств находят оксиды кремнезема, глинозема в сочетании с пластификаторами и суперпластификаторами, особенно на основе модифицированных поликарбоксилатов, обладающих большим разжижающим эффектом. Дополнительное снижение В/Ц бетонных смесей в совокупности с мик-ро- и нанокремнеземом, базальтовой и углеродной фиброй позволяет получать особо прочные бетоны, непроницаемые для жидкостей и газов, практически неограниченной морозостойкости. Однако о масштабном применении особо прочных бетонов говорить преждевременно.
Большое значение для энергосбережения, регулирования светотехнических и улучшения санитарно-гигиенических свойств светопрозрачных ограждающих конструкций, а также фасадов зданий и сооружений имеют наноматериалы, содержащие наночастицы, придающие светопрозрачным покрытиям на их основе специфические свойства. Коэффициент теплопередачи нового стекла снижается на 70-80%, а теплопроводность стеклопакета с его использованием в 2-2,5 раза.
В конце 90-х годов прошлого века фирмой РНктд1оп разработана технология производства самоочищающегося стекла. Имеются и другие виды самоочищающихся покрытий на стеклах4. Американские ученые из университета Пардью создали самоочищающееся стекло с двухслойным покрытием, притягивающим воду сильнее, чем масло (обычное стекло наоборот).
Возможности использования в строительной отрасли научно-технических разработок и продуктов нанотехнологии постепенно расширяются. Достигаемые при этом эффекты, как правило, носят многофункциональный характер. Высокопрочные конструкционные композиционные материалы в присутствии нановолокнистых и порошковых частиц приобретают необходимую пластичность, имеют пониженные усадку и ползучесть. Самоочищающиеся износостойкие покрытия светопрозрачных конструкций могут обладать разной паро- и светопроницаемос-
тью в зависимости от внешних условий. Молекулярные индикаторы, информирующие о напряженно-деформируемом состоянии несущих конструкций; покрытия, аккумулирующие солнечную энергию и другие примеры позитивного использования наноматериалов и наночастиц в строительном производстве. Задача состоит, таким образом, в обеспечении строительной и других отраслей рынка этими наноматериалами и наночастицами в нужном объеме с требуемыми технико-экономическими параметрами.
Фантастически выглядят перспективы дальнейшего строительного развития. Представим основу современного «умного дома» нового поколения: основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов; несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния; ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца; покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей; фотока-талитические покрытия. Россия отстает в научно-техническом и особенно коммерческом использовании нанотехнологии от наиболее развитых в этом отношении стран: США, Европы и Японии, которые уже приступили к активной коммерциализации имеющихся наноизобретений, в том числе в строительстве. Россия пока находится на этапе НИОКР.
Современные тенденции использования нанотехнологий. Анализ современных тенденций в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в строительную практику в ближайшие 10-20 лет станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. По прогнозам ученых-экономистов к 2015 г. стоимость нанотехнологической продукции в общемировом промышленном производстве составит 1 трлн долл. Бурное развитие нанотехнологий, с одной стороны, предполагает использование достигнутых результатов фундаментальных исследований в прикладных областях строительной науки, а с другой — само развитие нанотехнологий невозможно без новых подходов к проектированию и строительству объектов. Действительно, производство нанотрубок или любых других нанообъектов невозможно разместить в зданиях, предназначенных для традиционных промышленных производств. Производственные нанотехнологии ставят специфические задачи перед проектировщиками и строителями всех специальностей. В строительстве существуют строгие требования к параметрам воздушной среды, температурно-влажностному режиму, акустическим и антистатическим параметрам помещений, виброизоляции. Этим определяются новые требования к проектированию зданий, их конструктивному и объемно-планировочному решениям, а также к выбору материалов и технологий, применяемых при возведении зданий.
Практическое использование достижений фундаментальной науки в области нанотехнологий для строительства является стратегическим направлением развития прикладной строительной науки. В данном случае показателен зарубежный опыт. Так, например, современное производство бетонов и строительных растворов в развитых странах мира ориентировано именно на применение модифицированных составов. В отдельных странах уровень использования модифицированных бетонов и растворов достигает 100%. Применение модификаторов позволяет создавать бетоны и строительные растворы различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств. Индустрия модификаторов на сегодняшний день является высокоинтеллектуальной отраслью строительного производства; это своего рода хай-тек в строительстве. Новым направлением в модификации бетонов и строительных растворов является применение ультрадисперсных, наноразмерных частиц. Работы в данном направлении проводятся в крупнейших компаниях: «Зика» (Швейцария), BASF (Германия), «Майти» (Япония), «Элкем» (Норвегия). Публикации и материалы конференций и симпозиумов, проводимых за рубежом по проблемам практического применения наноматериалов и технологий в последние годы, свидетельствуют об особом внимании данному направлению развития. В российских источниках также большое внимание уделяется использованию наночастиц при производстве строительных материалов, в том числе бетонов и строительных растворов. Основной вклад в прикладные исследования в строительстве за рубежом вносят научные подразделения промышленных компаний, разработки которых базируются на фундаментальных
исследованиях крупных научных центров. Отечественные строительные компании, понимая значимость этого, не в состоянии в одиночку финансировать научные исследования. Поэтому стратегической задачей развития нанотехнологий в строительстве является создание доступной инфраструктуры как для разработчиков, так и для потребителей новых строительных материалов и технологий. С этой целью современные подходы к разработке строительных технологий и материалов требуют кардинальной модернизации материальной базы научных и прикладных исследований. Необходима разработка и внедрение новых научных методик и использования уникального, как правило, дорогостоящего оборудования для получения новых научных знаний о свойствах материалов, получаемых на основе нанотехнологий. Однако без концентрации финансовых средств и координации исследовательских и прикладных разработок достичь прогресса в данной области вряд ли возможно. Внедрение нанотехнологий в области строительства сдерживается также неготовностью специалистов-строителей воспринимать новый уровень развития строительных технологий и материалов. Без предварительной подготовки сложно понять, как при смешении разнородных и несовместимых на первый взгляд материалов в результате правильного структурирования получается материал со свойствами, нехарактерными для традиционных материалов. Без специально полученных знаний сложно разобраться, как ранее непроницаемые стекла оконных проемов способны пропускать пар, или в зависимости от времени суток пропускать заданное количество света строго определенного спектра. В данном случае неотъемлемым условием успешного внедрения нанотехнологий в строительстве является модернизация образовательного процесса в области строительства. Применение нанотехнологий в строительном производстве увеличивает потребность в высококвалифицированных видах труда.
Для создания инфраструктуры, способствующей распространению и развитию нанотехнологий в строительстве необходимо:
1. Создание особых научно-образовательных организаций.
2. Концентрация финансовых средств в сфере производств и научных центров, занятых в разработке нанотехнологий.
3. Создание координационного центра, занимающегося основными направлениями развития нанотехнологий в отрасли.
4. Проведение промышленной политики государства, способствующей активизации сопряженных отраслей (прежде всего в области электроники, космической техники, инжиниринга и т.п.)
В России для решения данных вопросов была создана «Российская корпорация нанотехнологии» (РОСНАНО), призванная содействовать реализации государственной политики в сфере нанотехнологии, развитию инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологии и реализации проектов создания перспективных нанотехнологии и наноиндустрии5. Федеральная целевая программа на 2008-2010 гг. «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации» предусматривала развитие нанотехнологии по направлениям: электроника, инженерия, материалы для энергетики и космической техники, биотехнология, конструкционные сверхтвердые, новые углеродные и композиционные авиационные материалы, а также системы безопасности. Фундаментальной базой для развития нанотехнологии являются физика, химия и молекулярная биология. Строительство не имеет к этой технологии непосредственного отношения и, видимо, поэтому в программе отсутствует направление развития нанотехнологии в этой области. РОСНАНО, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом, уже утвердила и реализует несколько проектов, продукция которых может использоваться в строительной отрасли6.
Наиболее перспективными объектами предпринимательской деятельности по развитию нанотехнологий в области строительства, на наш взгляд, являются:
1. Композитные материалы и наноматериалы на основе крупнотоннажных полимеров. Проект предусматривает введение на рынок новых видов высокотехнологичной нанопродукции: очищенного модифицированного монтмориллонита и полимерного нанокомпозита на его основе. Полимерные нанокомпозиты, состоящие из пластичной полимерной основы (матрицы) и наполнителя — органомодифицированного
монтмориллонита с размером частиц от 10 до 200 нм, обладают новыми улучшенными свойствами. К ним относятся, например, устойчивость на разрыв, жаропрочность и пожаробезопасность, влаго- и газонепроницаемость. Полимерные композиционные материалы уже нашли применение в промышленности для изготовления специальных покрытий в практически любой отрасли хозяйства.
2. Препреги. В России реализуется первый интегральный проект по организации промышленного производства преп-регов на основе углеродных и минеральных волокон и нано-наполненных связующих. Проект предусматривает создание производственных мощностей по выпуску широкой номенклатуры препрегов на производственных площадках в Москве и Саратове. Использование подобных материалов позволяет существенно снизить вес конструкций, увеличить прочностные характеристики и срок службы. В строительстве препреги могут иметь различные применения, в том числе для армирования бетонных конструкций.
3. Инструмент. Производство режущего инструмента из сверхтвердого материала на основе микро- и нанопорошков кубического нитрида бора. В рамках проекта РОСНАНО совместно с «Микробор Технолоджи» будет создан полный производственный цикл — от синтеза нанопорошка кубического нитрида бора до изготовления из него режущего инструмента. Повышенные физические характеристики инструмента из нанопорошка кубического нитрида бора (микротвердость, износо- и теплостойкость) приводят к существенно более высокой производительности инструмента. При этом затраты на обработку деталей инструментом могут снижаться до 60%. Продукция проекта востребована для черновой и финишной обработки деталей, в первую очередь, в строительстве, тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности.
4. Дорожные покрытия из унирема — модификатора дорожных покрытий. Модификатор «Унирем» применяется при ремонте дорог и укладке новых дорожных покрытий. Его получают, измельчая отработанные автопокрышки при высокой температуре и давлении. Частицы модификатора, обладающие микро- и наномозаичной структурой, делают дорожные покрытия устойчивыми к воде и циклическим деформациям при перепаде температур, к образованию трещин и колеи. В результате долговечность дорожных покрытий увеличивается на треть, а межремонтные сроки при эксплуатации автомагистралей на 25-30%. Проект решает, в том числе, важную экологическую задачу — утилизацию старых автомобильных покрышек. В настоящее время на переработку поступает не более 5-8% от того количества использованных покрышек, что накапливается за год.
5. Теплоизоляционный материал «Пеноситал». Цель проекта — создание промышленного производства плитного пеностекла — инновационного теплоизоляционного материала, изготовленного на основе технологии «Пеноситал». Конечной продукцией проекта являются теплоизоляционные материалы, которые могут применяться как при жилом и коммерческом строительстве, так и в промышленной теплоизоляции. Экологической составляющей проекта является использование в качестве сырья одного из компонентов твердых бытовых отходов — стеклобоя, что позволяет снижать негативное воздействие битого стекла на окружающую среду.
6. Применение нанотехнологий в области энергосбережения при строительстве промышленных и жилых объектов. Твердотельная светотехника — энергосберегающие системы освещения на светодиодах. Конечным продуктом проекта станут светодиодные чипы, светодиодные лампы и осветительные системы, сопоставимые по яркости с лучшими мировыми аналогами. Реализация проекта позволит существенно сократить затраты на электроэнергию и эксплуатацию
светотехнической продукции как для промышленных объектов, так и для населения. Наиболее динамично замена светотехники с использованием традиционных источников света на светодиодные будет происходить, в первую очередь, в сегментах освещения объектов ЖКХ, уличного освещения, освещения коммерческих зданий, промышленных объектов.
7. Огнезащитные покрытия. Организация производства наноструктурированного гидроксида магния с модифицированной поверхностью, который может использоваться в качестве огнезащитной добавки в строительные материалы.
8. Наноструктурные неметаллические покрытия. Создание многопрофильного производства наноструктурных неметаллических покрытий. Продукцией проекта станут технологические линии для нанесения неметаллических неорганических керамических покрытий на поверхности металлов. Технология микродугового оксидирования обеспечивает деталям свойства износостойкости (увеличение от 2 до 8 раз), защиты от коррозии, термостойкости, декоративные свойства. Поставки технологических линий будут осуществляться в том числе в строительную отрасль.
9. Модифицирующие покрытия нанометровой толщины. Уже выпускаются установки для нанесения модифицирующих покрытий нанометровой толщины на материалы и изделия с помощью плазмы магнетронного разряда с целью повышения их коррозионной стойкости, декоративности, придания поверхности необходимых механических, химических, электрических и других свойств.
10. Материалы из германия. Модернизация производства германия и продукции высоких степеней его обработки, используемый в качестве компонента катализатора при изготовлении синтетических волокон и других процессов органического синтеза, производстве специальных стекол с высоким коэффициентом преломления и прозрачностью в ИК-области спектра, косметологии и изготовлении эмалей и глазурей.
Будущее нанотехнологий в строительстве — это внедрение процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов Они в полной мере должны отвечать современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.
Перечисленные выше нанотехнологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Происходит изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети. В недалеком будущем можно представить подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции, возможно, будут способны осуществлять самомониторинг — нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя предупредят о появлении трещин и т.п. в конструкциях, в материале. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут стать нашей реальностью.
Развитие нанотехнологии — это не только прорыв в технике, экономике и безопасности, это еще и путь интеграции в систему промышленной цивилизации. Нанотехнология — без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день.
1 Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи = Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea — М.: «Вильямс», 2006.
2 Малинецкий ГГ Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше // Интеграл. - 2007. - № 5.
3 Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. — М.: КоЛибри, 2009.
4 http://www.pilkington.com/europe/russia/russian/default.htm
5 Федеральный закон № 139-Ф3 от 19.07.2007 «О Российской корпорации нанотехнологий».
6 По материалам форума: Rusnanotech 2010 — Третий Международный форум по нанотехнологиям 1-3 ноября 2010 г.
