مقدمه
آغاز تمدن با مجموعه ای از نوآوری های مادی آغاز شده است. عصر برنز و عصر آهن ، ما را در راهی به جایی که الان هستیم رسانده است بنابراین منطقی است که تاریخ معماری نیز عمیقا در تحولات تکنولوژیک آن زمان نقش بسته است. به عنوان مثال آسمان خراش ها بدون پیشرفت در فولاد هرگز به چنین ارتفاعاتی نمی رسیده اند و نماها بدون بتن پوسته نازک هرگز شکل نمی گیرند .در دوره ای که انبوه از پیشرفت تکنولوژیکی است ، بسیاری از مصالح به کار رفته در ساخت و ساز مشابه نمونه هایی است که صدها سال معماران از آنها استفاده می کرده اند. با این حال ، صنعت ساخت و ساز از زمین و منابع زیادی استفاده می کند و به همین ترتیب تلاش زیادی برای ایجاد مواد نوآورانه می کند که توانایی ایجاد انقلابی در کل صنعت را دارند.
تاریخجه نوآوری در مصالح معماری
فناوری نانو در حال حاضر انقلابی در بسیاری از زمینه های صنعتی ایجاد کرده است. مزایای استفاده از فناوری نانو در معماری چند بعدی است زیرا محدود به پایداری و بهره وری انرژی ساختمان نیست. عصر معماری نانو ظهور کرده است و امکانات جدیدی را فراهم می کند که هم بر طراحی معماری و هم بر کاربردهای معماری تأثیر می گذارد. انعطاف پذیری و پویایی فرم ها و زیبایی شناسی ، سازگاری در نیازهای خارجی و داخلی ، محافظت از کیفیت در شرایط زندگی و کنترل موقت آب و هوا اکنون امکان پذیر است. ساختارها سازوکارهایی را از طبیعت اتخاذ کرده و شروع به تقلید از موجودات زنده می کنند. ویژگی هایی مانند تصفیه هوا ، خود تمیز کردن ، تنظیم دما ، خود ترمیم ، تولید / صرفه جویی در انرژی و همچنین ضد آتش ، حفاظت و عایق خورشیدی می تواند به طور موثر ترکیب شود و ساختمانهایی با عملکرد بالا با چرخه های عمر طولانی ایجاد کند. نانومواد ، یعنی نانولوله های کربنی ، الیاف نانو ، خرپای در مقیاس نانو و غیره ، کیفیت های جدیدی را در اشکال ساختاری و ظرفیت حمل آنها ایجاد می کنند.
Breathe Brick توسط کارمن ترودل ، استادیار کالج معماری و طراحی محیط زیست کال پلی ساخته شده است و آلاینده ها را به طور فعال از هوا بیرون می کشد و هوای فیلتر شده را آزاد می کندو به عنوان بخشی از سیستم تهویه ساختمان طراحی شده است.در مرکز آن یک سیستم فیلتراسیون سیکلون قرار دارد که ذرات سنگین هوا را از هوا جدا کرده و در یک قیف قابل جدا شدن جمع می کند.در اصل به عنوان خلا عمل می کند و می تواند در دیواره ای با پنجره یا به عنوان بخشی از سیستم خنک کننده قرار گیرد ، به این معنی که به راحتی می تواند در ساختار فعلی ادغام شود.
مواد ابتکاری دیگری که به شکل آجر در می آیند ، مواردی است که توسط دانشجویان انستیتوی معماری پیشرفته کاتالونیا ایجاد شده است. ترکیبی از رس و هیدروژل باعث ایجاد اثر خنک کننده در فضای داخلی ساختمان می شود که از Hydroceramics ساخته شده است.هیدروژل موجود در آجرهای خنک کننده قادر است آب را – حداکثر 500 برابر وزن خود – جذب کند و سپس برای کاهش دمای سطح و سازه ها به ویژه در روزهای گرم آزاد می شود. آزمایش های اولیه نشان داده است که هیدروسرامیک ها می توانند درجه حرارت داخل ساختمان را تا 6 درجه سانتیگراد کاهش دهند.هیدروسرامیک ها می توانند به راحتی و به طور موثر در سیستم های خنک کننده سازه های فعلی ساختمان ادغام شوند و می توانند انقلابی در ساخت و ساز در آب و هوای گرم ایجاد کنند. در واقع ، با پیشرفت و توسعه بیشتر ، آنها این امکان را دارند که کولرهای گازی خانگی را از رده خارج کنند
مهندس عمران هلندی ، دکتر شلانگن از دانشگاه دلفت نقشه هایی را برای بتن خود ترمیم کننده ایجاد کرد. این فرآیند باعث می شود تا بتن در معرض حرارت قرار گیرد تا با خنک شدن ماده ذوب شده و اصلاح شود. اگرچه مزایای قابل توجهی برای یک بتن خود ترمیم شونده وجود دارد ، اما با استفاده از قابلیت اعمال گرما بر روی آن ، اثر آن محدود می شود. دکتر شلانگن وسیله ای را برای عبور از سیمهای القایی به جاده های ساخته شده از بتن خود ترمیم کننده خود به عنوان راهی برای غلبه بر این محدودیت پیشنهاد کرد ، به طور بالقوه سالانه تقریباً 90 میلیون دلار صرفه جویی می کند. یک گزینه مشابه ، که توسط میکروبیولوژیست هندریک جونکرز ایجاد شده است ، یک بتن بیو بتن است که خود بازسازی می شود. مملو از باکتری ها ، بیو بتن قادر است هر ترک ایجاد شده در ساختار آن را با سنگ آهک پر کند و آن را قادر به بهبود خود کند. باکتری باسیلوس ، سویه ای که در شرایط قلیایی مانند بتن رشد می کند ، مانند لاکتات کلسیم ، منبع غذایی باکتری ، در کپسول های قابل تجزیه قرار می گیرد. با ترک خوردن بتن ، آب وارد کپسول ها شده و آنها را می شکافد و به این ترتیب باکتری ها می توانند از لاکتات تغذیه کنند و شروع به تشکیل سنگ آهک ترمیم کننده ترک می کنند.
از چوب نیمه شفاف می توان به عنوان یک منبع تجدید پذیر با هزینه کم ، در دسترس و آسان برای ساخت استفاده کرد.در حالت ایده آل برای ایجاد پنجره ها و صفحات خورشیدی ، ابتدا چوب های نیمه شفاف با برداشتن روکش چوب ایجاد می شوند. سپس چوب در مقیاس نانو قرار داده می شود که اثر شفاف ایجاد می کند.چوب شفاف با تولید منبع تجاری ارزان قیمت ، توانایی تولید انبوه را دارد.
پیشرفت عمده در ایجاد مصالح ساختمانی سازگار با محیط زیست ، نوآوری شیشه فتوولتائیک بوده است. ساخت شیشه های فتوولتائیک یکپارچه (BIPV) می تواند با تبدیل اساساً کل ساختمان به یک صفحه بزرگ خورشیدی ، به ساختمان ها کمک کند تا برق خود را تولید کنند. چندین نوع شیشه فتوولتائیک تولید شده اند که دو نوع اصلی آن شیشه های سیلیکون بی شکل و شیشه های سیلیکون کریستالی هستند.هر دو نوع شیشه فتوولتائیک انرژی تمیز تولید می کنند ، اما برای شرایط مختلف و مکانهای مختلف ساختمان مناسب هستند. شیشه سیلیکون آمورف شبیه به شیشه معماری است ، دارای مقداری رنگ آمیزی و سیم کشی قابل مشاهده است. تقریباً 30٪ نور وارد می شود و در شرایط نوری منتشر یا نور پوشیده شده بهترین عملکرد را دارد. در مقابل ، شیشه سیلیکون کریستالی توانایی تولید دو برابر نیرو را دارد و در معرض نور مستقیم خورشید قرار می گیرد. این باعث می شود که این یک گزینه ایده آل برای سازه های رو به آفتاب باشد زیرا مربع های فتوولتائیک تاریک آن از عبور نور زیاد جلوگیری می کند.
خواه تغییرات آب و هوایی باشد و یا صرفاً هزینه های انرژی اضطراب آور ، تقریباً همه خواستار کارایی بیشتر و ساختمان های سبزتر هستند. بنابراین عایق بندی موضوع مهمی است ، خصوصاً در مورد ایرژل – نه تنها یکی از سبک ترین مواد موجود ، بلکه یکی از بالاترین عایق ها نیز هست (همچنین در سال 2011 13 رکورد جهانی گینس را نیز در اختیار داشت.) در اصل توسط ناسا تولید شده است ،
اگرچه ایده ساخت “عرق” به نظر می رسد خیلی ناخوشایند است اما در این ماده جدید هدف محققان ETH-Zurich ایجاد تعریق در ساختمان است مواد پشت بام هنگام باران آب را جذب می کند و فقط در صورت افزایش گرما تا دمای مشخص آن را آزاد می کند. تبخیر حاصل به نوبه خود باعث خنک شدن خانه می شود . دقیقاً مانند فرآیند عرق کردن انسان.
از آنجا که ساختمان های بلند مرتبه رایج می شوند ، روکش ها و روکش های خود تمیز کننده می توانند به حفظ آنها کمک کنند و آنها را از خاک و دود محافظت کنند. با کمک چنین موادی ، تمیز کردن نمای شیشه ای می تواند به یک کار منسوخ تبدیل شود. فناوری خود تمیزکاری نه تنها برای نگهداری سازه های بزرگ مفید است ، بلکه ساختمان های کوچک یا خانه های مسکونی نیز می توانند از این مزایا بهره مند شوند. با حذف ضرورت تمیز کردن ، در هنگام صرفه جویی در مصرف آب و از بین بردن مواد پاک کننده ای که می توانند به محیط زیست صدمه بزنند ، این طرح امتیاز پایداری به دست می آورد. خود تمیز کننده می تواند در انواع روکش ها مانند آلومینیوم ، شیشه و رنگ اعمال شود.این فناوری به لطف نانومواد امکان پذیر است. روکش ها در مخلوطی از نانوذرات پوشش داده می شوند که به مواد اجازه دفع آب ، روغن و خاک را می دهد.تمام مواد در طول زمان آسیب می بینند ، چه ناشی از آب و هوا ، استفاده طولانی مدت یا حوادث غیر مترقبه باشد. گاهی اوقات ، برای ترمیم یک ترک کوچک در سازه ، به یک راه حل تهاجمی نیاز است زیرا وصله سازی آن می تواند باعث ضعف های ساختاری ناخواسته شود. با استفاده از مواد خود ترمیم کننده ، این مشکل دیگر وجود ندارد. خود ترمیم فلز ، بتن و نما می تواند امید به زندگی ساختمان را تغییر دهد و هزینه های تعمیر و نگهداری را در طولانی مدت به شدت کاهش دهد. فناوری موجود در بتن خود ترمیم کننده ، مخلوط شدن باکتری باسیلوس در بتن است که در صورت تماس با لاکتات کلسیم موجود در مخلوط هنگام ایجاد پارگی ، باعث ایجاد سنگ آهک شده و ترک ها را پر می کند. باکتری ها می توانند تا 200 سال در داخل مخلوط خاموش باشند و آن را به یک محلول نسبتاً طولانی مدت تبدیل کنند. از طرف دیگر ، فلز خود ترمیم شونده ترکهای اساسی را بهبود نمی بخشد. ترکهای میکروسکوپی را بهبود می بخشد که ممکن است در آینده یکپارچگی ساختار را به خطر بیندازد. در مورد کاهش هزینه های نگهداری ، نماهای خود ترمیم شده با مواد نانو نیز می توانند مفید باشند.
الوار Cross-Laminated ، ماده ای ساخته شده از لایه هایی از الوار جامد ، یک گزینه جایگزین ارزشمند برای کسانی است که به دنبال ساخت و ساز با دوام هستند . این ماده دارای استحکام قابل مقایسه با بتن مسلح و فولاد سازه ای است که با لایه بندی قطعات چوب جامد ، به طور متناوب جهت رشته آنها بدست می آید. به لطف استحکام و دوام ، مواد به تدریج می توانند جایگزین سازه های ساخته شده در فولاد شوند.
این سیستم نما با توجه به شرایط بیرونی – مانند نور و گرما – برای کمک به ساختمان در حفظ شرایط داخلی مطلوب ، تنظیم می شود. این سیستم توسط یک روبان ساخته شده از یک ماده دی الکتریک (پلیمری که در برابر ضربه های الکتریکی واکنش نشان می دهد) ر واقع در نمای دوجداره شیشه ای ساخته شده است. هر دو طرف مواد با نقره پوشانده شده اند ، که نور را منعکس می کند و برق را در سطح مواد توزیع می کند و اجازه می دهد تا با توجه به نیازهای ساختمان شکل بگیرد.
پلاستیک یکی از آلوده کننده ترین عناصر در جهان است که بیشتر به لطف تجزیه بیولوژیکی کند است. بیو پلاستیک یا بیوپلیمرها از جلبک ها ، کیتین های دریایی ، سلولز و طیف گسترده ای از منابع زیست توده تجدید پذیر ساخته شده است. ماهیت ارگانیک آن تخریب را پس از دور ریختن آسان تر می کند و آن را به گزینه ای سبز برای پلاستیک ساخته شده با سوخت های فسیلی تبدیل می کند. از پلاستیک زیستی می توان در روکش ها ، عناصر سازه ای و سایر ساختارهای کمک کننده معماری استفاده کرد.
از لیتوگرافی دو فوتونی می توان برای ایجاد نانولوله های پلیمری دقیق استفاده کرد که می تواند در موادی مانند فلز یا سرامیک پوشانده شود ، برای از بین بردن پلیمر توخالی شود و سپس در یک ساختار فراکتال قرار گیرد – اساساً یک نانوسیم ساخته شده تازه ایجاد شده خصوصیات ساختاری و مادی محیط آن مانند فلز یا سرامیک را جفت می کند تا دارای ویژگی های قبلاً ناشناخته ای از جمله تحمل نقص و حافظه شکل باشد. این آزمایشگاه در تلاش است تا فرآیند را از اندازه میلی متر فعلی تا یک ورق کاغذ به اندازه نامه اندازه گیری کند. گریر می گوید ، اما انتظار نداشته باشید که از مواد فرعی استفاده شده در اعضای سازه یا روکش استفاده کنید. بلکه استفاده های احتمالی در فضای ساخته شده شامل سلول های باتری ، پنجره های هوشمند ، مبدل های حرارتی و توربین های بادی است.
برای استفاده در شیشه ، فولاد ، کاغذ و سایر مواد ، حتی در صورت خراشیده شدن یا در معرض روغن قرار گرفتن در برابر رطوبت مقاومت می کنند . نقاط ضعف معمول برای پوشش های دافع معمولی. ساخته شده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم پوشش داده شده ، با پرش مواد تهاجمی از سطح آن و از بین بردن آلودگی های حاصل ، آب ، روغن و حتی شراب قرمز را رد می کند. در مورد رنگ اتومبیل و پوشش های مقاوم در برابر رطوبت به عنوان کاربردهای احتمالی این فناوری صحبت کرده اند. در نهایت می تواند برای ایجاد دوام استفاده شود .
محققان راهی سریعتر برای تولید انبوه گرافن – نانومواد فوق نازک و فوق العاده قوی- با کیفیت بالاتر از آنچه قبلاً امکان پذیر بوده ، پیدا کرده اند. روش پردازش دسته ای آنها امکان رشد ورقهای گرافن نرم و قویتر را نسبت به فرآیندهای حرارتی معمولی فراهم می کند ، در حالی که زمان تولید را از ساعت به دقیقه کاهش می دهد و اندازه نمونه را از میلی متر به سانتی متر افزایش می دهد این فرآیند به توسعه تجهیزات پردازش یا زیرساخت جدید نیاز ندارداین فرایند سازگار است هنوز هم بیشترین کاربردهای گرافن در معماری در محصولات در مقیاس کوچک مانند پوشش ها ، سلول های خورشیدی و الکترونیک است.
