Projekt okładki i stron tytułowych

Ireneusz Gawliński

Ilustracja na okładce

ktsdesign/123RF

Wydawca

Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji

Adam Kowalski

Redaktor

Joanna Forysiak

Produkcja

Mariola Grzywacka

Recenzent

dr hab. inż. Łukasz Drobiec, Profesor Politechniki Śląskiej

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20455-6

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Przedmowa

1. REWOLUCJA UMIEJĘTNOŚCI W ARCHITEKTURZE I BUDOWNICTWIE

2. NANOMATERIAŁY I NANOTECHNOLOGIE

2.1 Struktury nanometryczne

2.2 Grafen i nanorurki węglowe – wytwarzanie, właściwości i zastosowanie

2.3 Cząsteczka kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA)

2.4 Identyfikacja struktur nanomateriałów

3. WŁAŚCIWOŚCI NANOMATERIAŁÓW W ASPEKCIE ICH WAŻNYCH ZASTOSOWAŃ

3.1 Od witraży i budynków do rakiet i statków kosmicznych z nanotechnologią

3.2 Wyzwania, szanse i perspektywy upowszechnienia się nanomateriałów

3.3 Przemysłowe i rynkowe bezpieczeństwo nanotechnologii

4. NANOMATERIAŁY W ARCHITEKTURZE

4.1 Inspiracje dla rozwoju nanoarchitektury

4.2 Wiek XXI złotym wiekiem nanoarchitektury

4.3 Czynniki poprawiające wdrażanie nanoarchitektury

5. NANOMATERIAŁY W BUDOWNICTWIE

5.1 Potencjał nanotechnologii w zmianie środowiska budowlanego

5.2 Modelowanie kształtowania nanostruktur materiałów litych

5.3 Zastosowanie nanokompozytów w budownictwie

5.4 Nanokompozyty polimerowe

5.5 Nanokompozyty polimerowe z grafenem i ceramiką

5.6 Wielowarstwowe nanostrukturalne powłoki metalowe

5.7 Sadza techniczna

5.8 Celuloza nanokrystaliczna

5.9 Kształtowanie nanomateriałów z wykorzystaniem drukarek 3D

6. PERSPEKTYWY ROZWOJU I ZASTOSOWAŃ NANOMATERIAŁÓW

Literatura

Przedmowa

Nanomateriały są specjalnymi materiałami intensywnie rozwijanymi przez ubiegłe dwie dekady w obszarze inżynierii materiałowej i stanowią kamień milowy nanonauki i nanotechnologii. Materiały w nanoskali to seria substancji i związków określonych struktur, w których przynajmniej jeden wymiar jest mniejszy niż 100 nm. Postęp technologiczny oraz znaczące wyniki naukowe i wdrożeniowe w informatyce, inżynierii komputerowej, nanotechnologii i inżynierii genetycznej umożliwiają realizację nowych wyzwań w architekturze i budownictwie przyszłości. Ciągła i szybka ewolucja nanotechnologii wychodzi naprzeciw oczekiwaniu przez specjalistów radykalnych zmian dotychczasowego środowiska i życia społeczeństw, nowego podejścia do architektury i budownictwa związanych z naturą, naturalnymi zasadami i różnymi formami przyrody ożywionej.

Wszystko, co obecnie dzieje się w środowisku, wyraźnie wskazuje, że świat nanomateriałów gwałtownie się rozwija. Dlatego książka ta obejmuje wiele podejść do nanostruktur metali, tlenków metali, nanokompozytów i materiałów polimerowych. Synteza, charakteryzacja, różne procesy nanotechnologiczne i niektóre obiecujące aplikacje są w niej również analizowane i prezentowane.

Ponieważ rozwój w dziedzinie nanomateriałów przebiega bardzo szybko, a aktualizacja jest trudna, autorzy zamieścili obszerny spis literatury, dzięki czemu czytelnik będzie mógł jeszcze zgłębić przedmiotową problematykę i w pełni zrozumieć nanoświat. Poszczególne rozdziały będą prowokować do refleksji i zapewniać lepsze rozpoznanie wielu tematów związanych z nanomateriałami.

Podstawowe idee odnoszące się do wpływu nanoświata na architekturę i budownictwo przyszłości podano w rozdziale pierwszym. W rozdziale drugim przedstawiono główne zagadnienia odnoszące się do nanomateriałów i nanotechnologii. Zasadnicza uwaga jest w nim skoncentrowana na opisie struktur różnych nanomateriałów oraz na metodach i aparaturze służącej do ich identyfikacji. Problematyka związana z wyzwaniami, szansami i zagrożeniami wynikającymi z nanoświata została przybliżona w rozdziale trzecim. W rozdziale czwartym przedstawiono zasadnicze aspekty odnoszące się do nanoarchitektury, jej zadań, perspektyw rozwoju i efektów wdrożeń nanomateriałów. Problematyka nanomateriałów w budownictwie jest przedstawiona w rozdziale piątym, w którym uwypuklono nowe perspektywy otwierające się w bliskiej przyszłości przed tą dziedziną. Zagadnienia odnoszące się do możliwości szybkiego upowszechnienia się intensywnego wdrażania nanomateriałów w codzienną praktykę są tematem rozdziału szóstego. Omówione są też w nim możliwe ryzyka, które mogą być wywoływane rozmaitymi czynnikami występującymi w procesie wdrażania nanomateriałów w szerszym niż dotąd zakresie.

Autorzy wyrażają przekonanie i nadzieję, że książka spotka się z zainteresowaniem szerokiego grona specjalistów działających w obszarze architektury i inżynierii budowlanej. Pożytek z jej lektury mogą wynieść również pracownicy naukowi i inżynierowie oraz studenci zaangażowani we wdrażaniu szeroko pojętej inżynierii materiałowej.

Autorzy
Warszawa, lipiec 2018

1. REWOLUCJA UMIEJĘTNOŚCI W ARCHITEKTURZE I BUDOWNICTWIE

Postęp technologiczny i znaczące wyniki osiągnięte w badaniach naukowych w drugiej połowie XX w., zwłaszcza w informatyce, inżynierii komputerowej, nanotechnologii i inżynierii genetycznej, zachęcają obecnie do formułowania nowych wyzwań wobec architektury przyszłości. Ostatnia dekada XX stulecia to czas poważnego wzrostu gospodarczego w ośrodkach zurbanizowanych, co z kolei wytworzyło zapotrzebowanie na nową ekspresję koncepcji środowiska powoływanego przez lokalnych i międzynarodowych architektów. Wraz z szybkim rozwojem mikroelektroniki i technologii komputerowej, a także ich zmasowaną infiltracją wszystkich dziedzin aktywności społecznej, rozpoczęła się wielka rewolucja w rozwoju ludzkości uznawana za „czwartą rewolucję przemysłową” i nazwana erą informacji, która wyrasta z „rewolucji umiejętności”.

W takim okresie pomysłowość i preferencje stają się kluczowymi aktywnościami w obszarze wykorzystywania technologii w naszej codzienności i przedsiębiorczości. Przy odpowiednim zestawie umiejętności pracownicy są zaangażowani w intensyfikowanie technologii niż w konkurencję z nią. Aktywiści społeczno-gospodarczy powinni być zorientowani na bieżące działanie, ale stale myśleć o przyszłości. Ponieważ nie jest możliwe przewidywanie wszystkiego, myśląc o nadchodzących wyzwaniach, należy uzgadniać z zainteresowanymi stronami, co można zrobić. Należy identyfikować te działania, które będą miały pozytywny wpływ na oczekiwane rezultaty i przyniosą pozytywne efekty, niezależnie od tego, co przyniesie przyszłość. Następnie pozostaje realizacja idei, co stanowi jądro działań zgodnych z wymaganiami rewolucji umiejętności.

Sztuką jest być przygotowanym na to, co nieplanowane. Rozwój technologiczny i rosnąca popularność mediów społecznościowych przyczyniają się do większej ekspozycji informacji osobistych, umożliwiając tym samym bezpośrednie interakcje na każdym poziomie: czy to pracodawcy z pracownikiem, czy sprzedawcy z konsumentem. To człowiek własnymi umiejętnościami kształtuje nowe oblicze współpracy między sobą a dostępną technologią. Umiejętności, które będą w cenie za kilka lat, diametralnie różnią się od współczesnych. Przyszłe pokolenia będą musiały stale podnosić oraz zmieniać kwalifikacje, a co najważniejsze – zmieniać sposób myślenia. Aby przygotować się do tej zmiany, szkoły, uczelnie wyższe oraz firmy powinny kłaść nacisk na bardziej złożone podejście do problemów, wykorzystujące różne dziedziny nauki. W dobie postępujących zmian, aby pozostać w czołówce, przedsiębiorstwa muszą iść z duchem czasu i unowocześniać swoje systemy. To, co sprawdziło się w przeszłości, często może nie mieć zastosowania w przyszłości, bo kto w unowocześnianiu przedsiębiorczości nie idzie do przodu, ten się cofa.

Nowoczesna technologia jest mniej skodyfikowana, a przez to bardziej dostępna normalnymi kanałami, ale mimo to nawet w XXI w. wciąż istnieje bardzo duży obszar tzw. wiedzy ukrytej (ang. tacit knowledge), której nie da się pozyskać bezpośrednio z urządzeń ją magazynujących, lecz jedynie bezpośrednio – od ekspertów z danej dziedziny.

Współczesna technologia informacyjno-komunikacyjna jest w stanie ułatwić użytkownikowi identyfikację tych ludzi i pomóc w ich zatrudnieniu. Konsultanci techniczni, eksperci i kooperanci z wiedzą specjalistyczną potrzebną w danym momencie (ang. just-in-time expertise) stają się coraz bardziej poszukiwani na rynku. Motorem współczesnego rozwoju gospodarczego jest przemysł zaawansowanych technologii. Powstają nowoczesne miejsca koncentracji parków technologicznych, czyli skupiska instytucji naukowo-badawczych i zakładów przemysłowych współpracujących w zakresie opracowania i wdrażania do produkcji innowacji technologicznych, tzw. technopolie. Wynalazczość jest paradygmatycznym i empirycznym procesem świadomych i systematycznych eksperymentów oraz równoczesnym obserwowaniem, które z nich naprawdę działają. Postęp technologiczny XXI w. sprawił, że inżynieria przemysłowa pracuje nad coraz bardziej nowoczesnymi automatami, które będą zdolne do komunikacji głosowej i ścisłej koordynacji, programowalne, uczące się, widzące w trzech wymiarach, poruszające się, dokonujące autodiagnozy i autonaprawy. Oznacza to, że zakłady będą musiały w przyszłości częściej inwestować w inteligentne maszyny, w coraz większym stopniu opierać się na wykwalifikowanych pracownikach je obsługujących, płacić ludziom więcej, a co za tym idzie – zmniejszać w miarę możliwości liczbę zatrudnionych.

Z kolei zakończona w 2000 r. pomyślna realizacja projektu poznania ludzkiego genomu zainicjowała rewolucję nano w XXI w., określaną jako „piąta rewolucja przemysłowa”. Ujawniła się możliwość manipulowania cząsteczkową strukturą materii w skali atomowej i formowania nowych materiałów o właściwościach przedtem nieosiągalnych. Nanotechnologia i inżynieria genetyczna, które są najbardziej transformacyjnymi technologiami, z jakimi mamy do czynienia, stanowią potencjał mogący radykalnie zmienić dotychczasowe środowiska i życie społeczeństw. Obydwie te dziedziny czerpią swoją moc z natury. Ich główne cechy opierają się na jej prawach. W związku z tym ujawniają się nowe podejścia do architektury opartej na nanotechnologii i inżynierii genetycznej, związane z naturą, naturalnymi zasadami i różnymi formami przyrody ożywionej.

Począwszy od lat 90. XX w. do dzisiaj zrealizowano wiele poważnych programów badawczych w odniesieniu do nanomateriałów, nanostruktur, komputerowego projektowania układów kompleksowych i poszukiwania „nowej architektury” za pomocą związków interdyscyplinarnych między architekturą a nanotechnologią i genetyką. Postęp w nanotechnologii jest zbieżny z postępem w dziedzinie biomateriałów i biokompozytów, a zwiększenie ich zastosowania w budownictwie jest z dnia na dzień coraz intensywniejsze.

Nanotechnologia stała się jedną z wpływowych technologii w tym stuleciu, odkąd odniosła sukces w fascynujących i najbardziej różnorodnych dziedzinach technologii, a w tym również w dziedzinie architektury oraz w inżynierii lądowej i wodnej. Istotnym zamierzeniem jest opracowanie nowych cech funkcjonalnych obiektów, tj. właściwości, których nie można osiągnąć bez pomocy nanotechnologii lub w rzeczywistości wielofunkcyjności. W szczególności sektor budowlany upatruje swój postęp w dziedzinie nanotechnologii, gdyż będzie systematycznie potrzebował coraz więcej nowych i efektywnych materiałów oraz zasobów energetycznych.

Obecnie nanonauka i nanotechnologie są powszechnie uznawane za aktywności z olbrzymim potencjałem sprawczym, przynoszącym korzyści wielu dziedzinom badań oraz aplikacji, a przy tym przyciągającym szybko zwiększenie inwestycji zlecanych przez rządy i znaczące firmy w wielu częściach świata. Nanonaukę uznaje się za dziedzinę zajmującą się badaniem zjawisk i manipulacji materiałami w skalach atomowych, cząsteczkowych i makromolekularnych, w wyniku czego powstają materiały o korzystnych właściwościach, różniące się znacznie od materiałów o strukturach w większej skali. Za nanotechnologię przyjmuje się projekt, charakterystykę, produkcję i zastosowanie urządzeń, konstrukcji i systemów, dla których kontrolowanie kształtu i istotnych wielkości występuje w skali nanometrycznej.

Nanonauka i nanotechnologie są szeroko postrzegane jako dziedziny aktywności społecznej, w których tkwi olbrzymi potencjał do spożytkowania w celu uzyskania korzyści w produkcji:

- » wytrzymalszych, a zarazem lżejszych materiałów i o korzystnych właściwościach użytkowych,

- » źródeł energii odnawialnej,

- » leków,

a także w uzdatnianiu i odkażaniu wody oraz w technologiach informacyjnych i komunikacyjnych. W ciągu ostatnich 25 lat nastąpił rozwój nowego popytu konsumpcyjnego oraz produkcyjne osiągnięcia przemysłu i rolnictwa, będące następstwem rewolucji przemysłowych i przesunięć zasobów produkcyjnych na zewnątrz gospodarstw domowych (rys. 1.1).

Aktualnie wyroby, których oczekują konsumenci, ich procesy produkcyjne i efekty ich użytkowania, a także zarządzanie globalnymi łańcuchami dostaw są ponownie kształtowane w niespotykany dotąd sposób. Nowe rozwiązania technologiczne, jakie powstały w efekcie czwartej rewolucji przemysłowej – takie jak zaawansowana robotyka, systemy autonomiczne i produkcja dodatków – zrewolucjonizowały tradycyjne sposoby tworzenia wartości. Zróżnicowane i połączone te technologie otworzyły nowe możliwości tworzenia wartości w wielu wymiarach: dla jednostki, społeczeństwa, przemysłu, firm i hali fabrycznej. Niemniej zasady ery industrialnej masowej produkcji ustępują cyfrowej erze indywidualizacji i optymalizacji. Sercem koncepcji postrewolucji przemysłowej jest interakcja tych funkcji i podejmowanie przez konsumentów decyzji dotyczących optymalnej alokacji czasu i innych zasobów gospodarstw domowych. Liczne są wyzwania związane z przejściem do piątej rewolucji przemysłowej. Zintegrowana analiza i wykorzystanie danych to kluczowe możliwości realizacji tych wyzwań. Współpraca pozioma pozwala na lepsze zaspokojenie wymagań konsumentów. Powszechnie obserwuje się istotną transformację, w obliczu której konieczna staje się modyfikacja modeli biznesowych, zmiana oceny wartości produktów oraz dostosowanie systemów do oczekiwań społecznych.

Rys. 1.1

Ewolucja systemów produkcyjnych

Rys. 1.2

Dziedziny kształtujące nanoarchitekturę

Z dotychczasowych badań wpływu nanonauki na architekturę wynika, że nanotechnologia przybliża nas do materiałów niestandardowych, o specyficznych właściwościach indywidualnych, i stanowi odejście od katalogu materiałów standardowych (rys. 1.2). Nie tylko nanowarstwy powierzchniowe wprowadzają rewolucję w nowoczesnej architekturze. Najczęstszym surowcem nano stają się emulsje polimerowe, aerozole i zeolity, sadza techniczna, dendrymery, nanocząstki ceramiki i nanocząstki metali, dwutlenek tytanu, tlenek cyrkonu i tlenek glinu, grafen. Należy uwzględniać nanotechnologię nie tylko do projektowania rezydencji, lecz także wielopiętrowego budynku o bardziej wyrafinowanej strukturze, wznoszonego w etapach zgodnie ze strategią kodowania, która występuje w naturze. Można zakładać realizację takiego samego procesu wzrostu wielopiętrowego budynku według inżynierii molekularnej jak dla rezydencji.

Powiązania wzajemne i oddziaływania między różnymi dziedzinami aktywności społecznej z uwzględnieniem nanotechnologii i nanoarchitektury są przedstawione na rys. 1.3.

Architektura w epoce nowoczesnych mediów informatycznych i elektronicznych inspiruje się strukturami nanometrycznymi w malarstwie i w grafice, potwierdzając atrakcyjność koncepcji, która przywraca właściwe miejsce zjawiskom unikatowym i jednorazowym, nie pozbawiając ich jednocześnie entelechii łączonej dotychczas z regularnymi reprezentacjami ładu deterministycznego . Biorąc pod uwagę odpowiednie kombinacje właściwości ograniczonych z nieograniczonymi właściwościami struktur w technologii tworzenia nanoarchitektury, za miarę postępu technologicznego w architekturze należy przyjąć stwierdzenie: tym lepiej, im bliżej natury.

Materiały nanostrukturalne stanowią interesujący postęp w sektorze budowlanym, wykazując wyższą wydajność i mniejsze zużycie zasobów energetycznych w porównaniu z tradycyjnymi produktami na bazie cementu.

Rys. 1.3

Oddziaływania wzajemne różnych dziedzin z uwzględnieniem nanotechnologii i nanoarchitektury

Obecnie wśród szerokiego kręgu architektów zauważa się wysiłek przyjmowania tych nowości jako utylitarnego doświadczenia, które może być dla nich sposobem na rozwój ekologicznej i przyjaznej architektury powiązanej z naturą dla zapewnienia równowagi środowiska. Jest to nie tylko romantyczna koncepcja powrotu do natury lub poszukiwania różnych, atrakcyjnych form; chodzi przede wszystkim o zmniejszenie zależności od zasobów środowiska, poprawę dekadencyjnego (niemożliwego do ulepszenia) ekosystemu i dążenie do zrównoważonego świata.

W konsekwencji, dzięki transformacji naukowych paradygmatów, architektura zyskała i zrealizowała różne, a przy tym reformistyczne sposoby ustalania form utylitarnych.

W rzeczywistości pomysł tworzenia architektury w połączeniu z naturą zawiera cele projektowania pojedynczych budynków oraz ich zespołów w harmonii z naturą i ochrony równowagi symbiotycznej. Architekci biorą pod uwagę lepsze i bardziej zrównoważone środowisko oraz jakość przestrzeni w przyszłości, ponieważ zasoby świata stały się ograniczone, a ekologia zyskała na znaczeniu. Nie do przecenienia są zatem współpraca ze specjalistami z innych dyscyplin, zdobywanie informacji i utrwalanie doświadczenia w rozwoju naukowym i użytkowym.

Zmieniająca się demografia, większe możliwości indywidualnego wyboru, wzrost wyrafinowania klienta i rewolucja technologiczna – wywierają znaczący wpływ na strukturę świata. Dzieje się to za sprawą współdziałania cyfryzacji, uczenia maszynowego, starzenia się społeczeństwa, zmian demograficznych, polaryzacji, konsumeryzacji i rozwoju alternatywnych sposobów pracy. Pomysłowość i preferencje specjalistów będą kluczem do tego, jak zdoła się wykorzystać nanotechnologię w przedsiębiorczości i codziennym życiu. Radzenie sobie z nową technologią wymaga zarówno przyjęcia odpowiedniego rozwiązania, jak i wyjaśnienia jego zalet i ryzyka, jakie niesie ze sobą. W tym świetle ustalenie właściwych metodologii upowszechniania odpowiednich informacji na temat badań nad nanotechnologią jest najwyższym i najtrudniejszym krokiem. Branży budowlanej nanotechnologia rzeczywiście oferuje wspaniałe perspektywy poprawy efektywności energetycznej budynków i znacznie bardziej niezawodne metody budowy i techniki dostosowywania. W międzyczasie wykorzystanie nanotechnologii rozprzestrzeniło się także w sektorach tekstylnym i kosmetycznym i, oczywiście, istnieją pewne bardzo ważne postępy w zakresie bezpieczeństwa. Ugruntowuje się już przeświadczenie, że nanotechnologia ma formę projektu społeczno-politycznego, którego trajektorie obejmują wszystkie sfery życia: od kultury i etyki, przez całe życie społeczne, przemysłowe i ekonomiczne.

Przodujące instytucje i firmy działające jako awangarda w ramach rewolucji umiejętności stają przed wyzwaniem i wspaniałą szansą na uaktywnienie ich największego potencjału – specjalistów, którzy pokierują właściwym rozwojem i przebiegiem stosownych zmian. Wyzwolenie ludzkiego potencjału kreatywności jest gwarantem pomyślności wszelkich działań na tym kierunku.

Takie kompetencje jak łatwość komunikacji, umiejętność współpracy i kreatywność, a także wyjątkowe cechy, jak empatia, umiejętność budowania relacji, zdolności poznawcze, ciekawość i chęć uczenia się, czyli zespół umiejętności, którymi wykazują się wyłącznie ludzie, umożliwiają zwiększenie korzyści oferowanych przez nanotechnologię oraz ograniczają ryzyko zastąpienia człowieka przez automatyzację. Jednak, dysponując odpowiednimi umiejętnościami, możliwe jest takie wykorzystanie automatyzacji, aby znacząco ułatwiała osiągnięcie wzniosłych celów.

W dobie rewolucji umiejętności wszyscy pracownicy będą potrzebować kompetencji cyfrowych oraz zdolności rozwiązywania problemów we współpracy ze specjalistami z różnych dziedzin, ponieważ będą one niezbędne dla przeprowadzenia procesu digitalizacji istotnych danych. Potrzeby te są coraz bardziej złożone i pojawiają się w przyspieszonym tempie, z wielkimi wyzwaniami wobec decydentów, pracodawców, nauczycieli i pracobiorców, aby potrafili spełnić wymagania współczesnych i przyszłych społeczeństw.