Thứ năm,04/02/2010 00:00
Đặc biệt chú ý tới sự phát triển và tương lai của công nghệ Nano trong các lĩnh vực khác nhau nói chung và nói riêng trong lĩnh vực sản xuất các vật liệu xây dựng, trong đó các thành phần có kích thước nano. Trong giai đoạn phát triển ban đầu của ngành khoa học và công nghệ bất kỳ có ưu thế là việc nghiên cứu đối chứng một hiện tượng hay một quá trình này hay quá trình khác. Sau đó việc nghiên cứu này thường bị kết thúc ở dạng dự báo, thiết kế, đồ hoạ và chế tạo thử sản phẩm mới. Điều đó thường diễn ra đối với ngành công nghệ vật liệu.
Nhưng quan trọng là các công nghệ Nano có chi phí về năng lượng và lao động ít hơn khi chế tạo các vật liệu và chế phẩm không chỉ đơn giản có các tính chất tốt hơn, mà còn vượt trội hơn hơn nhiều so với các vật liệu hiện có. Phương châm ngày nay là chế tạo những gì cần thiết. Để thực hiện nhiệm vụ này chỉ có thể tiến hành bằng công nghệ Nano. Một kỹ sư xây dựng- công nghệ nắm bắt được những kiến thức cơ bản của công nghệ Nano, thì việc khai thác ứng dụng công nghệ Nano không phải là đặc biệt khó khăn. Có thể thu được các hệ Nano và vật liệu Nano bằng một số phương pháp. Một trong những phương pháp đó bao gồm đưa vào ứng dụng có mục tiêu quá trình công nghệ này hay khác bằng cách điều khiển các quá trình nguyên tử- phân tử nhằm mục đích thu được các thành phần của hệ thống không chỉ trong các phạm vi hạt Nano, mà còn trong việc kết hợp theo yêu cầu các hạt đó theo thể tích cũng như theo khối lượng [số hạt].
Những thành tựu trong ngành hoá- lý, hoá keo, những kiến thức trong lĩnh vực nghiên cứu các hệ phân tán cao và màng mỏng, những hiệu ứng ký sinh trùng của các chất hoạt tính bề mặt, sự kích hoạt cơ- hoá của các hạt chất rắn và nước cũng cho phép thu được các tính chất của vật liệu sớm hơn, dường như chỉ là ngẫu nhiên. Các công nghệ Nano đã được ứng dụng ở Hy Lạp và Ai Cập cổ đại khi chế tạo các loại màu khác nhau. Một sự khẳng định rõ ràng và đã biết từ lâu về hiệu quả của công nghệ Nano trong việc chế tạo thép bulat, cho phép thu được thép kết hợp độ cứng cao, độ sắc của lưỡi cạo, độ dính kết của các lớp bên trong chế phẩm và độ đàn hồi cao với nhau. Nhà sáng chế người Nga PP Annôxop [1797- 1851] đã thu được “bulat Nga” bằng cách kết hợp tỷ lệ chính xác các thành phần, chất lượng vật liệu với các chế độ thao tác công nghệ. Như nhà khoa học đã tự nhận xét rằng, các tính chất cơ bản của hệ thép bulat trực tiếp phụ thuộc vào thành phần hoá học, cấu tạo, đặc điểm gia công, kích thước và hình dạng của các tinh thể.
Tất cả những điều kiện đó được ứng dụng cho công nghệ chế tạo các vật liệu xây dựng. Những thao tác công nghệ tương tự được sử dụng trong sản xuất các chất kết dính khoáng, trong đó có clinker xi măng pooc lăng. Khi thay đổi nhiệt độ nung và áp suất, chúng ta thu được thạch cao nửa nước dạng hình thù khác nhau bởi kích thước các tinh thể và các tính chất. Theo kết quả thu được của nhiều công trình nghiên cứu và hydrat nửa nước giống nhau về cấu tạo mạng tinh thể nhưng khác nhau về độ phân tán của các tinh thể. Khi thay đổi và điều chỉnh các chế độ nung thạch cao hai nước, có thể thu được 8 dạng thù hình của thạch cao nửa nước và anhydrit không chứa nước có cấu tạo khác nhau của mạng tính tinh thể và các tính chất khác nhau.
Các nhà khoa học đã gặp phải những hiện tượng này khi chế tạo vôi sống. Quá trình phân giải cacbonat ở nhiệt độ 800- 850oc kèm theo sự hình thành oxyt canxi ở dang cao su xốp từ các tinh thể có kích thước 200- 300 nm [nano mét]. Bản thân cấu trúc [cấu trúc nano] bị xuyên suốt bởi các mao mạch có đường kính khoảng 8 nm. Sự tăng nhiệt độ nung tới 900- 1000oc sẽ dẫn đến tạo thành các tinh thể lớn hơn của oxyt canxi từ 500- 2000 nm. Điều đó ảnh hưởng xấu tới khả năng tham gia phản ứng của sản phẩm thu được. Nung ở nhiệt độ 1300- 1400oc sẽ thúc đẩy việc tạo thành các tinh thể oxyt canxi có kích thước 10- 20 mc[ micron]. Đó là hiện tượng ‘nung quá” dẫn đến sự tác dụng chậm với nước. Từ phân tích trên cho thấy, chất lượng của vôi sống phụ thuộc vào hàm lượng hydroxyt canxi và magiê trong chúng cũng như vi cấu trúc. Trong đó cần lưu ý rằng chất lượng của vôi, có nghĩa là kích thứơc các tinh thể độ rỗng bên trong của sản phẩm cuối cùng cũng phụ thuộc vào sự có mặt của các tạp chất khác nhau. Thí dụ như, các tạp chất sắt làm phát triển nhanh các tinh thể lớn, tức là dẫn đến hình thành nung “quá lửa” ngay ở nhiệt độ 1300oc.
Các thao tác công nghệ nano cũng được áp dụng trong trong sản xuất clinker xi măng bằng cách điều chỉnh chế độ nhiệt và sử dụng khoáng hoá- các chất xúc tác với mục đích giảm nhiệt độ nóng chảy. Kết quả ở vùng [zôn] nung kết trong lò quay do xuất hiện chất nóng chảy nhiệt độ thấp khi cho thêm spat có vảy trộn về phía đầu lạnh của lò, sự kết tinh của pha lỏng diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn. Quá trình thuỷ hoá các khoáng clinker cũng phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ rắn chắc, độ nghiền mịn, độ kiềm của pha lỏng của đá xi măng, vào thời gian và dạng, vào lượng phụ gia… Chính bản thân các quá trình lý hoá hình thành các sản phẩm thuỷ hoá- đó là dạng điển hình của các quá trình công nghệ nano, bởi vì chúng diễn ra ở cấp nguyên tử và phân tử. Trong tài liệu chuyên ngành phân tích khá chi tiết nhiều yếu tố bảo đảm cho sự hình thành cấu trúc vĩ mô của các chất kết dính rắn chắc. Tuy nhiên nhiều yếu tố và các thao tác công nghệ có ý nghĩa hiện nay còn chưa được nghiên cứu đầy đủ và không phải khi nào cũng được ứng dụng trong thực tế. Biết rằng, loại và thành phần của các sản phẩm thuỷ hoá xi măng có thể điều chỉnh được. Điều đó có nghĩa là chúng ta có khả năng thu được các sản phẩm mới hình thành có độ kiềm khác nhau và cần thiết, với lượng nước hydrat khác nhau, kích thước và hình dạng các tinh thể khác nhau, tức là đảm bảo có được độ bền, độ chịu băng giá, độ bền không khí và độ bền xâm thực cần thiết và các tính chất khác.
Những thao tác công nghệ này trùng khớp với các nội dung lý thuyết được giáo sư Vongienxki đưa ra về sự liên quan lẫn nhau của các tính chất xây dựng của đá xi măng và bê tông với các điều kiện chế tạo chúng. Cường độ chủ yếu của đá xi măng được bảo đảm bởi các tinh thể và các mầm tinh thể tạo thành các sản phẩm thuỷ hoá phẩm mới, các kích thước của chúng nằm trong giới hạn 10- 7- 10- 9m. Trong khoảng trung gian giữa các tinh thể có các sản phẩm thuỷ hoá, các kích thước của chúng nhỏ hơn 10-9m. Chúng chiếm khoảng không gian trống, “gắn kết” tất cả các sản phẩm mới với nhau.
Kết quả của hiện tượng “gắn kết” này có hai tác dụng. Khi tính đến sự liên tục của các quá trình thuỷ hoá, sự tích tụ của các vi tinh thể nhỏ cần phải nhớ tới sự không ổn định của cấu trúc mới tạo thành. Trong hệ rắn chắc này có hai quá trình: hình thành cấu trúc và phá vỡ nó kèm theo sự hàn gắn cấu trúc sau đó. Tất cả được thực hiện ở cấp nguyên tử- phân tử. Việc sử dụng những kiến thức về các quá trình thuỷ hoá và các quá trình có liên quan tới sự hình thành cấu trúc ở cấp nano, sự ảnh hưởng của các dạng thù hình khác nhau đang mở ra những khả năng “hợp kim hoá” các hệ chứa xi măng. Sự hợp kim hoá diễn ra do chất iegiren của Đức- nóng chảy và chất latinh- liên kết với nhau, kết hợp với nhau và có nghĩa là đưa vào một nào đó có các nguyên tố trợ dung, trong đó có các nguyên tử từ bên ngoài, để thu được các tính chất mới. Sự hợp kim hoá các thành phần của thạch cao, vôi và hỗn hợp bằng các phụ gia hoá học và khoáng hữu cơ, cũng như việc gia cường bằng các sợi mảnh phân tán và các ống cácbon nhỏ thường dẫn đến xuất hiện các quá trình phân nhánh với sự hình thành những vật liệu mới có các tính chất mới, mà trước đây chưa từng có. Biết rằng, các thao tác bất kỳ thúc đẩy các quá trình công nghệ trong các hệ phân tán trùng ngưng đều dựa trên cơ sở điều chỉnh các tính chất của cấu trúc được hình thành bởi các hạt hệ thống. Các thông số cơ bản đặc trưng cho cấu trúc của hệ, đó là: tổng thế năng liên kết [Uo], dành cho một hạt và động năng của các hạt [Q]. Tức là, việc điều chỉnh các tính chất của cấu trúc đó không phải là gì khác mà là sự biến đổi của thông số [Uo/Q].
Bê tông, gốm, các kim loại, các hợp kim và các vật liệu khác thuộc về các hệ phân tán tự do và phân tán liên kết và đặc trưng bằng cấu trúc keo và tinh thể- trùng ngưng. Thực tế tất cả các chất và các vật liệu thường gặp trong cuộc sống hàng ngày là các đối tượng nghiên cứu của ngành hoá keo. Việc sản xuất nhiều loại vật liệu xây dựng [bê tông, gốm, bê tông amiăng…] có liên quan tới các quá trình hình thành cấu trúc keo- tinh thể. Theo quy luật hình thành cấu trúc vi mô và vĩ mô, cũng như các phương pháp điều chỉnh các quá trình này trong các hỗn hợp thì pha phân tán- môi trường lỏng vẫn là những vấn đề khá phức tạp. Vấn đề này được giải thích bởi sự có mặt của các lối qua các pha đang diễn ra, có liên quan tới sự thay đổi đáng kể không chỉ độ phân tán mà còn của dạng pha phân tán.
Chính ở đây, bên cạnh cấu trúc keo, xuất hiện cấu trúc tinh thể. Chính bản thân các quá trình này thuộc sự sắp xếp lại khá phức tạp cấu trúc keo ban đầu có liên quan tới các quá trình hoá học giữa pha rắn của hệ phân tán và pha lỏng ở cấp tác động tương hỗ nguyên tử- phân tử, tức là cấp các hạt nano. Một trong những thao tác của công nghệ nano được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay trong sản xuất bê tông, vữa, bột bả tường trên cơ sở các chất kết dính khoáng đó là sử dụng các phụ gia khác nhau, trong đó có các phụ gia hoạt tính bề mặt. Chúng có thể dự kiến sớm được nhiều lần các tính chất theo yêu cầu, đôi khi cả những tính chất không thể dự báo trước được. Tác dụng của các phụ gia biến tính thể hiện thông qua các quá trình hoá học trên bề mặt các pha rắn, lỏng và khí. Các lớp hấp phụ các chất biến tính trên bề mặt hạt chất rắn có các nhiệm vụ quan trọng và đa dạng: duy trì sự phát triển của các tinh thể, ảnh hưởng tới hình dạng của chúng, dạng thù hình, làm thay đổi sức căng bề mặt, ảnh hưởng tới mức độ thấm ướt các hạt phân tán. Và tất cả được thực hiện ở cấp nano. Ở nước Nga khi còn ở thế kỷ 9- 10, trong việc xây dựng tường gạch các nhà thờ đã sử dụng thành công prôtit trứng gà làm phụ gia biến tính cho vữa vôi. Điều đó cho phép tăng cường độ và độ bền khí quyển của các công trình này. Prôtit trứng gà đó là các chất hữu cơ cao phân tử, cấu tạo từ 20 axit amin [các mắt xich monome], có chứa các nhóm cacbonxyn [- COOH] và amin [- MH2] và có các tính chất của axit và kiềm. Các nhóm cacbonxyn [- COOH] là nhóm nguyên tử hoá trị một, cấu tạo gồm cacbonyl [=CO] và hydrxyn [- OH] và có các tính chất của axit. NHóm amin [- MH2] cũng là nhóm nguyên tử hoá trị một, tham gia vào thành phần của các axit amin và amid của các axit hữu cơ và vô cơ, thí dụ như RCONHK, [RO]2 P [O] NH2 trong đó R là gốc hữu cơ. Biết rằng, các cơ thể sống “tạo ra” những sản phẩm cần thiết từ prôtit. Mà đến lượt mình có thể tạo thành các cấu trúc nano điều chỉnh ở dạng các mạng tinh thể. Trong trường hợp được xem xét, các chất hữu cơ [prôtit] dường như tương hợp với chất vô cơ [dung dịch vôi] để tạo ra một lớp liên kết cường độ cao bền vững lâu dài trong khối xây gạch. Các ví dụ này đang thúc đẩy các nhà khoa học tới ý tưởng về việc chế tạo từ các prôtit và các hợp chất vô cơ có cấu trúc như vậy, mà không có trong tự nhiên.
Quá trình thay đổi có định hướng các tính chất khai thác sử dụng của hệ rắn chắc đang đem lại những kết quả tích cực trong ngành vật liệu xây dựng. Việc ứng dụng các nguyên tố thuộc công nghệ nano trong công nghiệp xây dựng sẽ kèm theo sự chuyển hướng từ hệ biến hoá nghiên cứu các vật liệu thu được bằng cách kết hợp các thành phần khác nhau trong một hệ nghiên cứu đối với kỹ thuật có mục tiêu của các phân tử theo yêu cầu, các chất mới tạo thành, các cấu trúc nano, các hệ nano và các đối tượng nano, tức là chuyển từ thế giới vi mô sang thế giới nano. Sự phát triển công nghệ nano đó không chỉ là một bước ngoặt trong kỹ thuật, trong kinh tế và trong ngành an toàn, nó còn là con đường tích hợp vào hệ thống nền văn minh công nghiệp. Ngành công nghiệp nano đang được phát triển nhanh ở nước Nga, nó đang chiếm lĩnh ngành xây dựng, nhằm tạo ra được những công trình bền vững lâu dài với những chi phí sản xuất và khai thác sử dụng ít nhất.
Nguồn: Tạp chí Vật liệu xây dựng Việt Nam, số 12/2009