В последние годы российские ученые добились немалых успехов в сфере исследований и разработок по различным направлениям развития наноиндустрии.

По некоторым перспективным направлениям нанонауки Россия удерживает передовые позиции. Имеется ряд инновационных разработок, применение которых в области производства строительных материалов может помочь решению важнейших задач ресурсе- и энергосбережения, повышения надежности строительных конструкций, существенного увеличения их эксплуатационного ресурса и т.д. Вместе с тем, в сфере практического внедрения нанотехнологий (наноинжиниринга) и развития наноиндустриальных производств, по мнению экспертов, наша страна отстает от лидеров на 10-15 лет.

О том, что сдерживает процесс внедрения нанотехнологмческих достижений в строительную практику, рассказал в своем докладе Евгений Королев, директор Научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии» Московского Государственного строительного университета.

 «Нанотехнология — это уникальный способ управления структурой и свойствами вещества, занимающий особое место на метрической шкале между атомами и макромолекулами и позволяющий получать объекты и материалы, отличающиеся повышенными показателями физических и химических свойств. Ошибочно предполагать, что нанотехнология — это область интересов только фундаментальной науки. Строительство современных зданий и сооружений требует применения строительных материалов нового поколения, управление структурой и свойствами которых осуществляется на атомно-молекулярном уровне.

Технологическая модернизация экономики России затрагивает также одну из материалоемких отраслей — строительство. Широкое использование потребителями зарубежных строительных материалов усугубляет технологическое отставание отечественных производителей строительной индустрии. Попытки копирования таких технологий позволяют сократить отставание только на непродолжительные периоды. Поэтому необходимы новые прорывные технологии, обеспечивающие импортозамещение и выход отечественных производителей на мировой рынок строительной продукции и технологий.

Принципиально новым подходом к управлению структурой и свойствами различных материалов является нанотехнология, которая по существу представляет собой технологию управления структурообразованием вещества на атомно-молекулярном уровне. В настоящее время имеются убедительные примеры эффективности нанотехнологии в различных областях промышленности, в частности: электронике, металлургии, военных приложениях, ядерной технике и т д.

В отличие от зарубежного опыта отечественных примеров эффективного применения нанотехнологии в строительстве практически нет. Имеются разрозненные отечественные наработки, которые демонстрируют потенциальные возможности и перспективность нанотехнологии в строительстве, в частности, в строительной индустрии, например: неметаллическая арматура, модифицированная наноуглеродными модификаторами, нанопокрытия на оконных стеклах, антивандальные нанопокрытия на ограждающих конструкциях и некоторые другие. Однако перспективность применения нанотехнологии в строительной индустрии не вызывает сомнения вследствие идентичности природы процессов, происходящих при синтезе нанообъектов и строительных материалов.

Широкое применение нанотехнологии в строительстве сдерживается также отсутствием инновационно-ориентированных бакалавров и магистров, включая кадры высшей квалификации, отсутствием методической базы для их подготовки и обобщающей теории синтеза наноструктурированных и наномодифицированных композиционных строительных материалов.

Чтобы внедрить нанотехнологию в практику, надо ответить на три вопроса. 1) чему равна экономическая эффективность нанотехнологии, и каким образом можно ее подсчитать? 2) в чем сущность оптимальной стратегии реализации нанотехнологии в строительстве? 3) каким образом можно однородно распределить нанообъекты по объему строительного материала?

Итак, как определить технико-экономическую эффективность нанотехнологии? Безусловно, каким бы гениальным не было техническое или технологическое решение без экономическою обоснования целесообразности оно никогда не будет внедрено и востребовано. Существует мнение, что краеугольным вопросом являются финансовые потоки, и все с этим соглашаются. Но надо помнить о том, что этот подход справедлив только для локальных периодов и не учитывает проблемы экологии и исчерпания минеральных и энергетических ресурсов. Поэтому оценку технологии необходимо проводить с учетом достигаемого технического результата и экономического эффекта, а это требует сопоставления с базовым материалом, который по показателям качества является лучшим в мире.

В качестве коэффициента технико-экономической эффективности целесообразно использовать отношение, в котором числитель характеризует относительное изменение качества материала, как совокупности свойств, а не каждого отдельно выделенного свойства, а знаменатель — изменение относительной стоимости этой технологии по сравнению с базовым материалом. То есть, в сущности, этот критерий означает, насколько улучшается качество материала при вложении одного рубля в эту технологию.

При использовании наночастиц. применение которых положено в основу большинства российских и зарубежных технологий, необходимо решить весьма сложную технологическую задачу, а именно: однородного распределения нанообъектов в объеме материала, которая усложняется введением наночастиц в малом количестве. При этом закономерно снижаются вероятность получения однородной смеси и устойчивость технологического процесса к случайному варьированию рецептурных факторов.

Кроме того, для получения стабильных коллоидных растворов наночастиц требуется применение различных ПАВ (особенно при использовании фуллеренов и нанотрубок, которые плохо смачиваются водой). Очевидно, что такие вспомогательные вещества при введении в композит должны свободно удаляться с поверхности нанообъекта для реализации его потенциальных возможностей.

Необходимо также отметить, что применение наночастиц порождает еще один комплекс задач, которому в настоящее время не уделяют должного внимания, а именно: токсичность искусственных наночастиц. В ряде работ показано, что наночастицы могут попадать в организм человека через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт или другими путями. Причем негативные эффекты от попадания нанотрубок превосходят результаты воздействия асбеста и кристаллического кремнезема. То же выявлено при использовании наночастиц оксида титана и серебра.

Технологические проблемы однородного распределения связаны с тем, что высокоэнергетические способы гомогенизации (например, при использовании ультразвука) требуют частот 15-200 ГГц. Это частоты гиперзвука, который быстро поглощается веществом и расходуется на различные физические и химические процессы. Промышленными аппаратами такие частоты не генерируются. Изложенные проблемы и задачи позволяют сформулировать базовые принципы нанотехнологии в строительстве, а именно:

1.  Нанотехнология строительных композитов должна обеспечивать их производство по объемным технологиям.

2.  Носитель нанообъектов должен образовывать в композите (постоянно или временно) непрерывную фазу. Этот принцип предопределяет, что создание наноструктур целесообразно проводить на границах раздела фаз. При этом она должна быть термодинамически устойчивой.

3.  Синтез нанообъектов в композите должен приводить к снижению свободной энергии Гиббса.

4.  Количество модификаторов наноразмерного уровня должно обеспечивать их равномерное распределение по объему материала.

5.  Вспомогательные вещества, применяемые для распределения нанообъектов в объеме композита, должны удаляться с их поверхности основной фазой композита.

С использованием приведенных принципов можно разработать множество строительных материалов различного назначения и на основе различных вяжущих веществ. В частности, в наших работах разработан новый метод модифицирования дисперсных фаз, позволяющий при толщине слоя модификатора 45...75 нм повысить эксплуатационные свойства химически стойких композитов на 30.. .50%, а по не­которым свойствам в несколько раз.

Подведем некоторые итог:

1.  Нормативная база строительства не позволяет активно внедрять нанотехнологию

2.  Введение наночастиц или ЗD-нанообъектов приводит к возникновению экологических проблем. Кроме того, существующие технологии гомогенизации не позволяют осуществить однородное распределение наночастиц. Применяемые вспомогательные вещества блокируют активную поверхность нанообъектов и не позволяют реализовать заложенный в них потенциал.

3.  Стратегия реализации современной нанотехнологии в строительстве должна базироваться на использовании запасенной в веществе химической энергии. То есть, перспективны химические методы синтеза нанообъектов. Особенности строительства указывают на то, что производство строительных материалов с использованием элементов нанотехнологии должно осуществляться на существующих традиционных технологических линиях и соответственно без существенного их изменения.

Для устранения указанных ограничений в развитии нанотехнологии необходимо, прежде всего, установить критерии качества для каждой группы материалов, предназначенных для эксплуатации в заданных условиях. Причем должны быть определены конкретные показатели. Например, у бетона существует 74 базовых показателя, прописанных в государственном стандарте, и здесь необходимо все-таки, выделить, для какой функциональной группы и какие показатели необходимо изменять. Также существует проблема с определением базовых материалов. То есть, от чего необходимо отталкиваться для того, чтобы продемонстрировать перспективы нанотехнологии в строительстве.

Еще раз повторю, что нужны системные решения, в разработке которых должны принять активное участие архитекторы, проектировщики, материаловеды, экономисты  Необходимо сформировать облики современного и будущего зданий и от этого строительного объекта начинать свои действия. Пока же все достижения выглядят как некая демонстрация возможностей нанотехнологии, а не целенаправленный инженерный поиск.

В заключение хотелось бы отметить, что наиболее перспективные технологии синтеза нанообъектов — это химические технологии, как и технологии производства самих строительных материалов. Поэтому рационально выбрать то направление, когда синтез нанообъектов происходил бы одновременна с основным технологическим процессом получения строительного материала.

Важно также, что для решения задач нанотехнологии в строительстве необходимо использовать высокоинформативные, современные методы исследований  И надеюсь, что в создающемся сейчас Научно-образовательном центре по нанотехнологи-ям при Московском государственном строительном университете, который получил статус национального исследовательского университета, мы совместными усилиями сможем ответить на большинство поставленных вопросов. Университет готов к сотрудничеству и активным действиям в решении проблемы практического внедрения нанотехноло­гии в строительство.

Наиболее показательный пример широкого промышленного использования нанотехнологии в строительстве — стальная арматура и конструкционные стали с измененной наноструктурой. В отличие от обычной углеродистой стали наномодифицированные стали имеют в наношкале слоистую «реечную» структуру, из-за чего резко возрастают их механические свойства, например, прочность, податливость и сопротивление усталости по сравнению с другими известными высокопрочными сталями. Эти свойства материала приводят к значительно более длительным срокам службы в коррозионных средах и понижают интегральную стоимость строительства.

Наномодифицирование частицами ванадия и молибдена резко снижает риск водородного растрескивания сталей прочностью свыше 1200 МПа. Это особенно важно при значительном увеличении объемов применения таких сталей в высотном строительстве и при возведении уникальных объектов. Большие перспективы просматриваются и для применения нанотехноло­гии в деревянных конструкциях, возможности которых далеко не исчерпаны. Самоочищение и самостерилизация, «внутреннее самозалечивание», контроль влагосодержания, наличия грибов и плесени — вот неполный перечень интенсивно развивающихся междисциплинарных исследований. Уже сегодня освоен выпуск защитных водооталкивающих составов, воспроизводящих эффект «листа лотоса» и основанных на применении наночастиц диоксида кремния, оксида алюминия и гидрофобных полимеров. Не за горами появление материалов с контролируемой электропроводностью, деформативными характеристиками и низким термическим расширением, «умных» материалов, например, датчиков для мониторинга температуры, влажности, напряжений.

Евгений Валерьевич Королев, директор Научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии" Московского Государственно­го строительного университета