¿Cuál es el significado de la nanotecnología en la ingeniería civil? Cazar Trabajos es un oficio

Gracias por A2A.

La nanotecnología es un tema que requiere atención a los detalles.

La nanotecnología se ocupa de comprender, controlar y manipular la materia a nivel de átomos y moléculas individuales en el rango de 0.1–100 nm (10-9 m). Crea materiales, dispositivos y sistemas con nuevas propiedades y funciones. El papel de la nanotecnología en la concepción de sistemas de infraestructura innovadores tiene el potencial de revolucionar la práctica de la ingeniería civil y ampliar la visión de la ingeniería civil.

Algunas de sus aplicaciones se examinan en detalle a continuación:

A. HORMIGÓN

El concreto es uno de los materiales de construcción más comunes y ampliamente utilizados. La nanotecnología se usa ampliamente en el estudio de sus propiedades como la reacción de hidratación, la reacción de silicato alcalino (ASR) y la reactividad de cenizas volantes [2]. La reacción de silicato alcalino es causada debido al contenido alcalino de cemento y sílice presente en agregados reactivos como el sílex. El uso de pozzolona en la mezcla de concreto como un reemplazo parcial de cemento puede reducir la probabilidad de que ocurra ASR ya que reducen la alcalinidad de un fluido de poro. Las cenizas volantes no solo mejoran la durabilidad y resistencia del concreto y, lo que es importante para la sostenibilidad, reducen la necesidad de cemento, sin embargo, el proceso de curado de dicho concreto se ralentiza debido a la adición de cenizas volantes y la resistencia en la etapa inicial también es baja en comparación con lo normal hormigón.

La adición de nano-sílice conduce a la densificación de la micro y nano estructura, lo que resulta en mejores propiedades mecánicas. Con la adición de nano-SiO

se reemplaza parte del cemento, pero la densidad y resistencia del concreto de cenizas volantes mejora particularmente en las primeras etapas. Para el concreto que contiene cenizas volantes de gran volumen, a temprana edad puede mejorar la distribución del tamaño de poro al llenar los poros entre las cenizas volantes grandes y las partículas de cemento a escala Nano. La dispersión / suspensión de nano-SiO amorfo

se utiliza para mejorar la resistencia a la segregación para hormigón autocompactante [26]. La adición de una pequeña cantidad de nanotubos de carbono (1%) en peso podría aumentar tanto la resistencia a la compresión como a la flexión [1]. Esto también puede mejorar las propiedades mecánicas de las muestras que consisten en la fase de cemento portland principal y el agua. Los nanotubos oxidados de paredes múltiples (MWNT) muestran las mejores mejoras tanto en resistencia a la compresión (+ 25 N / mm

) y resistencia a la flexión (+8 N / mm

) en comparación con las muestras de referencia sin el refuerzo.

El agrietamiento es una preocupación importante para muchas estructuras. La Universidad de Illinois Urbana-Champaign está trabajando en polímeros curativos, que incluyen un agente curativo microencapsulado y un desencadenante químico catalítico [19]. Cuando las microcápsulas se rompen por una grieta, el agente curativo se libera en la grieta y entra en contacto con el catalizador. La polimerización ocurre y une las caras de la grieta. El polímero autorreparable podría ser especialmente aplicable para reparar el micro agrietamiento en pilares y columnas de puentes. Pero requiere una costosa inyección de epoxi. La investigación ha demostrado que un microorganismo anaeróbico (uno que no requiere oxígeno) incorporado en el agua de mezcla de concreto da como resultado un aumento del 25% en la resistencia de 28 días. El microorganismo Shewanella se usó a una concentración de 105 células / ml y la observación a nanoescala reveló que había una deposición de matriz de arena y cemento en su superficie. Esto condujo al crecimiento del material de relleno dentro de los poros de la matriz de arena de cemento y resultó en una mayor resistencia.

Finalmente, la envoltura de fibra de hormigón es bastante común hoy en día para aumentar la resistencia de los elementos estructurales de hormigón preexistentes. Un avance en el procedimiento implica el uso de una lámina de fibra (matriz) que contiene partículas de nano-sílice y endurecedores. Estas nanopartículas penetran y cierran pequeñas grietas en la superficie del concreto y, en aplicaciones de fortalecimiento, las matrices forman una fuerte unión entre la superficie del concreto y el refuerzo de fibra.

Es evidente a partir de la Fig.1 que la columna SCCNFC (hormigón autoconstruido con nano fibra de hormigón) falló con cargas más altas y con una deflexión mayor que la columna SCRC (hormigón reforzado confinado en acero). Además, la columna SCCNFC era mucho más rígida que la columna SCRC y exhibía una mayor disipación de energía. SCCNFC también se puede utilizar como un tipo de sistema de monitoreo de salud autoestructural.

B. COMPUESTOS ESTRUCTURALES

El acero es un importante material de construcción. FHWA junto con el American Iron and Steel Institute y la Marina de los EE. UU. Desarrollaron acero nuevo, bajo en carbono y de alto rendimiento (HPS) para puentes en 1992 con mayor resistencia a la corrosión y capacidad de soldadura al incorporar nanopartículas de cobre en los límites de grano de acero [16] .

Sandvik NanoflexTM es un nuevo acero inoxidable desarrollado por Sandvik Nanoflex Materials Technology. Debido a su alto rendimiento, es adecuado para aplicaciones que requieren diseños livianos y rígidos. Su buena corrosión, formabilidad y resistencia al desgaste pueden mantener bajos los costos del ciclo de vida [22] MMFX2 es acero modificado con nanoestructura, producido por MFX Steel Corp, EE. UU. En comparación con el acero convencional, tiene una estructura de malla laminada en microestructura fundamentalmente diferente que se asemeja a “madera contrachapada” como se muestra en la Fig.2. Debido a la nanoestructura modificada, el acero MMFX tiene propiedades mecánicas superiores, por ejemplo, mayor resistencia, ductilidad y resistencia a la fatiga, sobre otros aceros de alta resistencia. Estas propiedades del material pueden prolongar la vida útil en entornos corrosivos y reducir los costos de construcción. El acero MMFX2 tiene una resistencia a la corrosión similar a la del acero inoxidable, pero a un costo mucho menor. Hasta ahora, el acero MMFX ha obtenido la certificación para su uso en la construcción general en todo Estados Unidos.

Los nanotubos de carbono son más de 100 veces más resistentes que el acero y solo un sexto del peso, además de sus altas conductividades térmicas y eléctricas. Recientemente se ha informado que un compuesto CNT es seis veces más fuerte que los compuestos convencionales de fibra de carbono [13]. Además, a diferencia de las fibras de carbono que se fracturan fácilmente bajo compresión, los nanotubos son mucho más flexibles y pueden comprimirse sin fracturarse. Las estructuras reforzadas compuestas de CNT tienen un aumento de 50 a 150 veces en la resistencia a la tracción, en comparación con las estructuras reforzadas con acero convencionales.

C. RECUBRIMIENTOS

Los recubrimientos que incorporan ciertas partículas de nano o capas de nano se han desarrollado para cierto propósito, incluyendo: recubrimientos protectores o anticorrosión para componentes; autolimpieza, control térmico, ahorro de energía, recubrimientos antirreflectantes para vidrio / ventanas; recubrimientos antibacterianos fáciles de limpiar para superficies de trabajo; y pinturas más duraderas y revestimiento antigraffiti para edificios y estructuras. Por ejemplo: las ventanas autolimpiantes han sido desarrolladas y comercializadas por Pilkington, St. Gobain Co. y otros [9]. Este recubrimiento funciona en dos etapas. Primero, usando un proceso ‘fotocatalítico’, TiO a nanoescala

Las partículas en el recubrimiento reaccionan con los rayos ultravioleta de la luz natural del día para descomponer y desintegrar la suciedad orgánica. En segundo lugar, el revestimiento de la superficie es hidrófilo, lo que permite que el agua de lluvia se extienda de manera uniforme sobre la superficie y ‘cubra’ el vidrio para eliminar la suciedad suelta. Por lo tanto, puede reducir los contaminantes en el aire cuando se aplica a superficies exteriores. Revestimiento de 7000 m

de la superficie de la carretera con dicho material en Milán en 2002 ha llevado a una reducción del 60% en la concentración de óxidos de nitrógeno a nivel de calle [22]. La investigación también ha demostrado que las nanopartículas bimetálicas, como Fe / Pd, Fe / Ag o Zn / Pd, pueden servir como potentes reductores y catalizadores para una gran variedad de contaminantes ambientales [11].

Otro enfoque para crear un revestimiento de superficie autolimpiante ha sido el desarrollo de productos ‘Lotus Spray’ por BASF [12], basados en ideas de replicación de las hojas de loto sin manchas. El producto ofrece 20 veces más propiedades repelentes al agua que un revestimiento liso de cera. Con sus aplicaciones en la industria de la construcción, la compañía apunta a desarrollar un producto que retenga su efecto de loto incluso después de una abrasión con papel de lija.

Los recubrimientos especiales también pueden hacer que la superficie aplicada sea tanto hidrófoba como oleófoba al mismo tiempo. Estos podrían usarse para superficies anti-graffiti, alfombras y ropa protectora, etc. Los investigadores en México han desarrollado con éxito un nuevo tipo de pintura anti-graffiti DELETUM, al funcionalizar nanopartículas y polímeros para formar un revestimiento repelente al agua y al aceite al mismo tiempo. , como se muestra en la Fig.3.

Como resultado, la superficie recubierta es antiadherente o muy fácil de limpiar, y es capaz de soportar repetidos ataques de graffiti. Además, los recubrimientos nanoestructurados se pueden utilizar para reflejar y transmitir luz de forma selectiva en diferentes bandas de ondas [4]. La investigación se está centrando en materiales inteligentes y sensibles capaces de detectar y adaptarse a los alrededores y cambiar su apariencia, tales como el color que cambia en función de la temperatura y el revestimiento que responde al calor y la luz para minimizar el uso de energía en los edificios [16].

D. VIDRIO

El vidrio protector contra incendios es otra aplicación de la nanotecnología. Esto se logra mediante el uso de una capa intumescente transparente intercalada entre paneles de vidrio (una capa intermedia) formada por sílice pirógena (SiO)

) nanopartículas que se convierten en un escudo de fuego rígido y opaco cuando se calienta. Los recubrimientos electrocrómicos se están desarrollando para reaccionar a los cambios en el voltaje aplicado mediante el uso de una capa de óxido de tungsteno; volviéndose más opaco con solo tocar un botón. Debido a las propiedades hidrofóbicas de TiO

, se puede aplicar en revestimientos antivaho o en ventanas autolimpiantes [1]. Nano-TiO

los recubrimientos también se pueden aplicar al exterior de los edificios para evitar la adherencia de contaminantes y, por lo tanto, reducir las instalaciones

costos de mantenimiento [15].

E. NANOSENSORES

Los sensores / dispositivos habilitados para nanotecnología también ofrecen un gran potencial para desarrollar materiales y estructuras inteligentes que tengan la capacidad de ‘autodetección’ y ‘autoaccionamiento’. El dispositivo utilizado para bolsas de aire en automóviles es un ejemplo. Los sensores de sistemas mecánicos nano y micro eléctricos (NEMS y MEMS) tienen

ha sido desarrollado y utilizado en la construcción para monitorear y / o controlar las condiciones ambientales (p. ej., temperatura, humedad, humo, ruido, etc.) y el rendimiento de los materiales / estructura (p. ej., tensión, tensión, vibración, grietas, corrosión, etc.) durante La vida de la estructura. Nano sensor oscila entre 10

ma 10

m que podría integrarse en la estructura durante el proceso de construcción.

Cyrano Sciences ha desarrollado narices electrónicas basadas en una serie de diferentes sensores de película delgada de nanómetros de polímero [30]. Siemens y Yorkshire Water están desarrollando chips autónomos y desechables con sensores químicos integrados para controlar la calidad del agua y enviar alertas de contaminación por radio [26]. El agregado inteligente, un dispositivo multifuncional basado en piezocerámica de bajo costo, se ha aplicado para controlar las propiedades del hormigón en la primera edad, como la humedad, la temperatura, la humedad relativa y el desarrollo de la resistencia a la edad temprana [30]. También puede proporcionar una indicación temprana antes de que ocurra una falla de la estructura.

F. MATERIALES AISLANTES A GRANEL

NanoPore ha desarrollado compuestos de sílice nanoporosos a granel con moléculas orgánicas incrustadas que funcionan hasta 10 veces mejor que los materiales aislantes convencionales [11, 32]. Las características de aislamiento superiores de estos sólidos altamente porosos de baja densidad se deben a la forma única y al tamaño pequeño (10-100 nm) de su gran número de poros. Hasta ahora, estos nuevos compuestos aislantes se han utilizado en aplicaciones que requieren un excelente rendimiento térmico, una eficiencia energética óptima o un espesor de aislamiento mínimo.

G. PLÁSTICOS

Los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) que son materiales livianos no exhiben buenas propiedades eléctricas. Las CNT se encuentran entre las fibras más rígidas y fuertes conocidas, y tienen una alta conductividad eléctrica. En IFAM en Bremen, los investigadores emplearon tecnología de plasma para transferir sus propiedades a CFRP ya que estas micro o nanopartículas deben ser altamente homogéneas y, a veces, muy unidas al polímero. El Dr. Jörg Ihde explica: “Rociamos las partículas, es decir, los nanotubos, dentro de este plasma atmosférico”. Inmediatamente caen en el solvente seleccionado, que luego puede usarse para procesar más el polímero. Todo el procedimiento lleva solo unos segundos ”. Esto se puede presionar sobre un componente electrónico para que el calor se disipe directamente.

H. CÉLULA SOLAR DE PLÁSTICO

La aplicación más prometedora en las áreas de energía y medio ambiente que conducen a la construcción sostenible es el desarrollo de celdas de combustible y fotovoltaicas. En los últimos años, se han realizado esfuerzos considerables para desarrollar células solares de plástico en la Fig. 4, mucho más simple y más barato de producir que el de las células solares de semiconductores de silicio convencionales. Reemplazar las lámparas convencionales con LED solo en los Estados Unidos podría generar ahorros de energía de hasta $ 100 mil millones para 2025 y reducir las emisiones de carbono en 200 millones de toneladas por año [17].

I. BITUMEN

La bentonita (BT) y la bentonita modificada orgánicamente (OBT) se usaron para reforzar y modificar el aglutinante de asfalto mediante procesamiento en estado fundido bajo sonicación y tensiones de corte. El asfalto modificado BT posee estructura intercalada mientras que el asfalto modificado OBT posee estructura exfoliada. Los asfaltos modificados BT y OBT han mostrado un mayor punto de reblandecimiento, viscosidad, un módulo complejo más alto, un ángulo de fase más bajo y un parámetro de surco más alto y mejores propiedades reológicas que el asfalto base. Pero la ductilidad de los asfaltos modificados disminuyó con la adición de BT y OBT. Tienen una rigidez a la fluencia significativamente menor. Por lo tanto, la resistencia al agrietamiento a baja temperatura se mejoró mediante la adición de

BT y OBT. Los asfaltos modificados OBT tienen mejores propiedades que los asfaltos modificados BT.

J. MATERIALES BIOMIMÉTICOS

La biomimética es la ciencia de imitar la naturaleza, y los materiales biomiméticos buscan replicar las mejores características de los materiales naturales. Ejemplos como el nido de abeja que proporciona una estructura liviana con una resistencia mecánica excepcional, el hueso de la asta es más resistente que cualquier compuesto de cerámica artificial, la hoja de loto proporciona superficies autolimpiantes, la piel del hameleon cambia de color con el medio ambiente, etc. Al manipular materiales a nivel atómico Gracias a los avances en nanotecnología, la investigación de materiales biomiméticos proporciona un enfoque productivo de nuevos materiales y fabricación molecular.

K. MATERIALES INTELIGENTES

Los materiales inteligentes son materiales con propiedades diseñadas para cambiar de forma controlada bajo la influencia de estímulos externos como temperatura, fuerza, humedad, carga eléctrica, campos magnéticos y pH. Algunos ejemplos son piezoeléctricos, termorresistentes, aleaciones con memoria de forma (SMA), materiales policromos, cromogénicos, etc. Como los piezoeléctricos que alteran su forma bajo la influencia del campo eléctrico, la SMA cambia de forma debido a los campos magnéticos. La estructura inteligente de hormigón armado (IRCS) se conceptualiza en ellos. El IRCS tiene múltiples funciones que incluyen la autorehabilitación, la amortiguación de la vibración y el monitoreo de la salud estructural. En este caso, se utilizará un tipo especial de piezocerámica llamado PZT (titanato de circonato de plomo), que posee un fuerte efecto piezoelectricidad, y un tipo especial de SMA llamado Nitinol, que tiene buena resistencia a la corrosión y un gran estrés de actuación. La estructura de hormigón propuesta se refuerza con cables de nitinol de martensita utilizando el método de postensado. El nitinol de martensita aumenta significativamente la propiedad de amortiguación del hormigón y su capacidad para manejar grandes impactos. En presencia de grietas debido a explosiones o terremotos, al calentar eléctricamente los cables de SMA, los cables de SMA se contraen y cierran las grietas. Para detectar posibles grietas dentro de la estructura de concreto, se utiliza un parche PZT como un actuador para generar ondas y otros Los parches PZT se utilizan como sensores para registrar las señales de vibración recibidas.

L. NANOTECNOLOGÍA EN PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS

La resistencia al fuego de las estructuras de acero a menudo se proporciona mediante un recubrimiento de aerosol sobre un proceso cementoso que no es más popular porque necesitan ser gruesas, tienden a ser frágiles y se necesitan adiciones de polímeros para mejorar la adhesión. Sin embargo, la investigación sobre nano-cemento (hecha de partículas de tamaño nano) tiene el potencial de crear un nuevo paradigma en esta área de aplicación. Esto se logra mediante la mezcla de nanotubos de carbono (CNT) con el material cementante para fabricar compuestos de fibra que pueden heredar algunas de las propiedades sobresalientes de los nanotubos, como la resistencia. Las fibras de polipropileno también se están considerando como un método para aumentar la resistencia al fuego y esta es una opción más barata que el aislamiento convencional. Los CNT también se pueden usar para producir materiales de ropa protectora debido a su propiedad ignífuga.

III. IMPACTOS DE LA NANOTECNOLOGÍA EN LA CONSTRUCCIÓN A. MÉRITOS

1) Comparado con TiO convencional

, TiO

en la nanoescala experimenta un aumento del 500% en el área de superficie y una disminución del 400% en la opacidad. Nano-TiO actual

los niveles de producción han alcanzado aproximadamente 4 millones de toneladas métricas a un precio de aproximadamente $ 45 / kg a $ 50 / kg frente a $ 2.5 / kg para TiO convencional

2) Se espera que el mercado de CNT en todo el mundo crezca de $ 51 millones en 2006 a más de $ 800 millones en 2011 (BCC Research 2008).

3) El concreto nano-modificado reduce los cronogramas de construcción al tiempo que reduce las tareas intensivas en mano de obra (y costosas). También puede reducir el costo de reparación y mantenimiento.

4) La industria de pinturas y recubrimientos consiste en ventas anuales de aproximadamente $ 20 mil millones (Baer et al. 2003). La nanoalúmina y la titania tienen un aumento de cuatro a seis veces en la resistencia al desgaste, con doble tenacidad y resistencia de unión (Gell 2002).

5) El mercado global potencial de nanocompuestos se estima en $ 340 mil millones para las próximas dos décadas (Roco y Bainbridge 2001).

6) El mercado de sistemas de protección contra incendios totalizó aproximadamente $ 45 mil millones en 2004 y se espera que crezca a más de $ 80 mil millones en 2010 (Helmut Kaiser Consultancy 2008)

7) Asfalto de reparación automática, nanoagentes curativos y rejuvenecedores para el asfalto (Partl et al. 2006), y los polímeros de autoensamblaje mejoran la mezcla de asfalto.

8) Los nano sensores integrados en materiales de infraestructura pueden proporcionar, a un costo mínimo, mecanismos de predicción y pronóstico de fallas totalmente integrados y autoalimentados para estructuras de alto capital (por ejemplo, depósitos, plantas de energía nuclear y puentes).

B. DEMERITOS

1) Debido a su pequeño tamaño de partícula, las nanopartículas tienen el potencial de afectar negativamente las vías respiratorias y digestivas y la superficie de la piel o los ojos [4], lo que expone a los trabajadores a riesgos.

2) Dado que las industrias relacionadas con la nanotecnología son relativamente nuevas, el tipo de trabajador que trabaja en la investigación y el desarrollo de la construcción (o incluso en algunas aplicaciones de campo) debe tener antecedentes interdisciplinarios.

3) Las nuevas políticas en el contexto de la nanotecnología requerirán la cooperación entre varios niveles de gobierno, agencias de I + D, fabricantes y otras industrias.

4) Los pequeños volúmenes de producción y los altos costos siguen siendo las principales barreras para el uso de la nanotecnología (The Royal Society 2004)

5) El tiempo para comercializar un producto es largo. Por ejemplo, se proyecta que el concreto, que puede eliminar la necesidad de barras de refuerzo, se comercialice aproximadamente en 2020.

IV. CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE

A una tasa de producción anual de 2,35 billones de toneladas, la industria del cemento contribuye con alrededor del 5% al CO antropogénico global

emisiones Se ha encontrado que los aditivos como la belita, el sulfo-aluminato de calcio y la alumino-ferrita de calcio (BASF 2008) reducen el CO

emisiones en casi un 25% en la fase de producción

Una pared hecha de concreto nano-modificado durante una temporada de clima frío podría usarse potencialmente como un aislante térmico cuando la temperatura exterior cae o usarse como un conductor cuando la temperatura ambiente dentro del edificio es baja, reduciendo así la carga de energía requerida para acondicionar el Edificio interior.

Con un mayor desarrollo de la tecnología LED y OLED y el progreso en los materiales aislantes y el acristalamiento inteligente, la visión de los edificios para cumplir con sus propios requisitos de energía se hará realidad.

V. PROYECCIÓN FUTURA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN CONSTRUCCIÓN

Hay un flujo considerable de dinero en la investigación relacionada con nano de las corporaciones multinacionales y las inversiones de capital de riesgo [4, 16]. Muchas de las compañías más grandes del mundo, como IBM, Intel, Motorola, Lucent, Boeing, Hitachi, etc., han tenido importantes proyectos de investigación relacionados con nano.

o lanzó sus propias iniciativas de nanotecnología. Para 2015, la National Science Foundation estima que la nanotecnología tendrá un efecto de $ 1 billón en la economía global. Para lograr esta predicción del tamaño del mercado, las industrias emplearán a casi dos millones de trabajadores para avanzar en muchos materiales Nano, estructuras Nano y sistemas Nano. El tiempo necesario para comercializar un producto es largo porque las industrias pueden preferir monitorear el desarrollo en agencias de investigación y laboratorios antes de realizar inversiones sustanciales. Además, el desarrollo de la nanotecnología, particularmente en conjunto con la investigación biomimética, conducirá a enfoques verdaderamente revolucionarios para el diseño y la producción de materiales y estructuras con una eficiencia, sostenibilidad y adaptabilidad mucho mejores al entorno cambiante.

Fuente: Nanotecnología en Ingeniería Civil.

OTROS SITIOS WEB:

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