НАНОТЕХНОЛОГИИ  В  АРХИТЕКТУРЕ

Ломейко  Татьяна  Владимировна

студент-магистрант,  факультет  архитектуры,  КазГАСА,  г.  Алматы

E-mail: 

Кисамедин  Гульжан  Мустаховна

научный  руководитель,  канд.  архитектуры,  профессор;  зав.  каф.  «Архитектура  жилых  и  общественных  зданий»  в  КазГАСА,  г.  Алматы

Статья  посвящена  новейшим  открытиям  в  области  нанотехнологий,  позволившие  использовать  стержневые  конструкции  в  архитектуре,  что  совсем  недавно  было  невозможно.

«Основным  препятствием  включения 

Шуховских  конструкций  в  стилеобразующие 

процессыбыла  их  объемно-пространственная  новизна, 

что  пришло  в  противоречие  с  образными  стереотипами 

восприятия  архитекторами  инженерных  конструкций»,  — 

С.О.  Хан-Магомедов  [6,  с.  169]

Совсем  недавно  никто  не  подозревал,  что  открытие  углерода  —  нанотрубки  (рис.  1)  —  кардинально  изменит  картину  мира  во  многих  понятиях  и  областях  человеческой  деятельности.  Открытие  углеродной  нанотрубки,  положило  начало  новому  поколению  сверхпрочных  и  легких  строительных  материалов,  которые  в  свою  очередь  произвели  настоящую  революцию  в  архитектуре. 

Рисунок  1.  Структура  соединений  атомов  углерода  в  бесшовной  нанотрубке

«Углерод  под  воздействием  высокой  температуры  и  давления  в  недрах  земли  сжимается  и  образует  кристалл  алмаз,  который  является  самым  прочным  природным  материалом  на  земле,  но  в  основном,  большая  часть  углерода  существует  на  планете  в  форме  графита.  До  открытия  нанотрубки  считали,  что  графит  и  алмаз  это  были  две  и  единственные  формы  существования  чистого  углерода  на  планете,  но  недавно  была  найдена  еще  одна  форма  в  виде  микроскопической  пластинки  графита,  свернутой  в  цилиндр  в  виде  трубки.  Атом  углерода  соединенный  с  тремя  соседними  атомами  образуется  новый  микроскопический  пласт,  который,  в  определенных  условиях,  способен  сворачиваться  в  бесшовный  цилиндр,  в  упругое  и  прочное  соединение  —  нанотрубку»  [3,  с.  1] 

В  настоящее  время  подобные  структуры  получены  из  нитрида  бора,  карбида  кремния,  оксидов  переходных  металлов  и  некоторых  других  соединений.  Диаметр  нанотрубок  варьируется  от  одного  до  нескольких  десятков  нанометров,  а  длина  достигает  нескольких  микрон.  Прочность  нити,  которая  изготовлена  из  молекулы  углерода,  определяется  не  межмолекулярным,  а  куда  более  сильным  межатомным  взаимодействием.  Разница  между  ними  —  примерно  как  между  прочностью  лески  и  такой  же  по  диаметру  разлохмаченной  шерстяной  нитки.  Теоретически,  нанотрубки  могут  стать  основой  для  материалов,  которые  могут  стать  во  много  раз  прочней  стали. 

Точной  даты  открытия  углеродных  нанотрубок  нет,  но  общеизвестным  является  факт  наблюдения  структуры  многостенных  нанотрубок  (рис.  2)  —  Ииджимой  в  1991  г,  хотя  существуют  более  ранние  свидетельства  открытия  углеродных  нанотрубок. 

Рисунок  2.  Многостенные  нанотрубки

В  1992  в  научном  электронном  журнале  «Nature»  [7]  была  опубликована  статья,  в  которой  утверждалось  что  нанотрубки  наблюдали  уже  в  1953  г,  однако  в  1952,  в  статье  советских  учёных  Радушкевича  и  Лукьяновича  [5,  с.  88]  сообщалось  об  электронно-микроскопическом  наблюдении  волокон  с  диаметром  порядка  100  нм,  полученных  при  термическом  разложении  окиси  углерода  на  железном  катализаторе.  Эти  исследования  не  были  продолжены.  В  1974—1975  гг.  A.  Oberlin,  M.  Endo,  и  T.  Koyama  опубликовали  ряд  работ  с  описанием  тонких  трубок  с  диаметром  менее  100  Å,  приготовленных  методом  конденсации  из  паров,  однако  более  детального  исследования  структуры  не  было  проведено. 

«Группа  ученых  Института  катализа  СО  АН  СССР  в  1977  году  при  учении  зауглероживания  железохромовых  катализаторов  дегидрирования  под  микроскопом  зарегистрировали  образование  «пустотелых  углеродных  дендритов»,  при  этом  был  предложен  механизм  образования  и  описано  строение  стенок»  [1,  с.  1021]. 

«Существует  также  множество  теоретических  работ  по  выявлению  данной  формы  углерода.  В  работе  химик  Джонс  (Дедалус)  размышлял  о  свёрнутых  трубах  графита,  М.Ю.  Корнилов,  профессор  кафедры  органической  химии  Киевского  национального  университета,  не  только  предсказал  существования  одностенных  углеродных  нанотрубок  в  1986  г.,  но  и  высказал  предположение  об  их  большой  упругости»  [2]. 

Соединение  нанотрубки  с  различными  строительными  материалами 

(Таблица  1.)  такими  как:  железо,  бетон,  керамика,  стекло  и  др.  создало  новые  строительные  материалы  в  архитектуре  —  сверхлегкие,  сверхпрочные  и  даже  прозрачные,  самоочищающиеся  наноматериалы.

Использование  наноматериалов  в  строительстве  позволило: 

·более  широко  выразить  эстетическое  архитектурное  творчество,  не  ограничивая  фантазию  архитекторов  и  дизайнеров; 

·сократить  затраты  на  строительство  и  темпы  возведения  зданий;

·улучшить  качество  сооружений  и  его  эксплуатационные  характеристики;

·сохранить  окружающую  среду;

·соответствовать  нормам  и  требованиям  безопасности;

·адаптировать  здания  к  биологически  подобным  формам,  создавая  образец  архитектуры,  который  полностью  взаимодействует  с  климатической,  химической,  кинетической  и  социальной  стороной  жизни,  уменьшая  экологический  след  современного  общества  в  городской  среде.

Таблица  1.

Нанотехнологии  и  инновационные  строительные  материалы

По  результатам  работ  IV  Международной  научно-практической  online-конференции  «Применение  нанотехнологий  в  строительстве»  были  сделаны  следующие  выводы: 

1.  введение  углеродных  нанотрубок  в  малых  и  сверхмалых  концентрациях  приводит  к  упрочению  цементной  матрицы  (прочность  при  сжатии  возрастает  на  20—30  %); 

2.  функционализация  УНТ  существенно  зависит  от  типа  УНТ,  вследствие  чего  разнятся  результаты,  но  при  надлежащем  выборе  углеродного  наноматериала  демонстрирует  хорошие  результаты  на  прочность  при  сжатии:  20—50  %»  [4.  с.  59]

В  современной  архитектуре  часто  используются  конструкции  с  криволинейными  очертаниями.  Один  из  основных  способов  создания  нелинейной  и  параметрической  архитектуры  является  использование  покрытий  на  основе  сетчатых  оболочек.  С  помощью  сетчатых  оболочек  можно  в  минимальные  сроки  создать  максимально  биоморфный  объем.  Такие  конструкции  позволяют  быстро  строить  экологические  и  энергоэффективные  здания.  На  современном  этапе  проектирования  и  строительства  криволинейных  зданий  нужно  знать  не  только  основы  и  строительные  нормы  проектирования,  но  и  микробиологию,  генетику  и  воспринимать  ДНК,  как  основной  стилеобразующий  элемент  будущего  архитектурного  разнообразия.  Появление  новых  наноматериалов  позволит  решить  проблему  не  только  прочности  металлов,  но  и  узловых  соединений,  образующих  арматурные  сетки  и  спирали  из  новых  композиционных  материалов.  Результатом  творческого  процесса  сегодня  служит  не  создание  плоских  стен  работающих  на  сжатие,  а  временная  фиксация  состояния  оболочки  с  учетом  внешних  факторов.  Современное  здание  это  уже  не  застывшая  музыка,  а  сама  музыка  которая  взаимодействует  с  окружающим  пространством. 

Помимо  применения  нанотехнологий,  все  здания  необычных  форм  моделируются  с  помощью  программ  в  3d  графике.  Примером  такого  здания  сконструированного  с  помощью  IT-технологий  является  Оперный  театр  в  Гуанчжоу.  (Рис.  3)

Рисунок  3.  Оперный  театр  в  Гуанчжоу(Guangzhou  Opera  House)

Мастерская  известного  дизайнера  Zaha  Hadid  воплотила  в  жизнь  своё  очередное  архитектурное  творение  —  Оперный  театр  в  Гуанчжоу.  «Здание  было  торжественно  открыто  в  феврале  2011  г.  В  начале  2005-го  прошла  церемония  закладки  фундамента,  после  чего  началось  строительство  на  берегу  Жемчужной  реки  (Pearl  River).

Оперный  театр  составлен  из  двух  частей  —  Большого  театра  с  1804  посадочными  местами  и  Зала  на  400  посадочных  мест.  Сам  же  комплекс,  претендующий  на  звание  визитной  карточки  бизнес-квартала  Жу  Янг  (Zhu  Jiang),  занимает  42  тыс.  кв.  м.  Большой  театр  освещен  360  ед.  техники  от  компании  ЕТС,  включая  эллипсоидные  прожекторы.  Малый,  многофункциональный  зал,  также  освещен  при  помощи  сетевых  систем  ЕТС»  [8]. 

В  этом  уникальном  здании  Оперного  Театра  в  Гуанчжоу  гармонично  соединился  нанобетон  и  сетчатые  конструкции  (рис.  4),  что  позволило  создать  не  только  легко  трансформируемые  пространства,  но  и  увеличить  прочность  и  долговечность  самого  здания  с  помощью  инновационных  технологий.

Рисунок  4.  Сетчатые  конструкции,  примененные  в  оперном  театре

Архитектура  Оперного  Театра  в  Гуанчжоу  и  его  интерьеры  представляют  открытые  и  закрытые  текучие  и  гибкие  пространства,  которые  сложно  создать  традиционными  строительными  материалами.  Со  временем,  инновационные  материалы,  не  доступные  в  массовом  строительстве  будут  использоваться  повсеместно.  Можно  только  догадываться,  как  в  будущем  будет  развиваться  архитектура,  и  какую  роль  сыграют  наноматериалы  и  инновационные  технологии.  Опыт  уникальной  архитектуры  сегодня,  в  будущем  станет  основой  в  развития  массовой  архитектуры. 

Список  литературы:

1.Буянов  Р.А.,  Чесноков  В.В.,  Афанасьев  А.Д.,  Бабенко  В.С.  Карбидный  механизм  образования  углеродистых  отложений  и  их  свойства  на  железохромовых  катализаторах  дегидрирования//Кинетика  и  катализ.  Т.  18,  1977.  —  С.  1021.

2.Википедия  —  свободная  энциклопедия.  //Углеродные  нанотрубки.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —URL:  http://ru.wikipedia.org/wiki/%D3%E3%EB%E5%F0%EE%E4%ED%FB%E5_%ED%E0%ED%EE%F2%F0%F3%E1%EA%E8  (дата  обращения:  23.02.2013).

3.Кисамедин  Г.М.  Углеродная  архитектура.  Научно-практическая  конференция  Душанбе  Кнауф.2012.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.rusnauka.com/11_NPE_2012/Stroitelstvo/4_108336.doc.htm  (дата  обращения:  19.02.2013).

4.Научный  интернет-журнал  Нанотехнологии  в  строительстве  5(21),  2012  —  с.  59.

5.Радушкевич  Л.В.  и  Лукьянович  В.М.  О  структуре  углерода,  образующегося  при  термическом  разложении  окиси  углерода  на  железном  контакте.  ЖФХ,  26,  88,  1952.

6.Шухов  В.Г.  (1853—1939):  «Искусство  конструкции»  Под  редакцией  Р.  Грефе,  М.М.  Гаппоева,  О.  Перчи  —  с.  168—174.

7.Gibson  J.A.E.  Early  nanotubes?  Nature,  359,  369  (1992).  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —URL:  http://www.nature.com/nature/journal/v359/n6394/abs/359369c0.html  (дата  обращения:  19.02.2013).

8.Тip  to  trip  //  2009—2011.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —URL:  http://tiptotrip.ru/tips/900-opernyy-teatr-v-guanchzhou-guangzhou-opera-house-kitay  (дата  обращения:  01.03.2013).