Четыре материала будущего: от нанотрубок до паутины

archspeech разбирается в пользе для архитектуры четырех материалов, чей потенциал давно привлекает мировое сообщество.

Четыре материала будущего: от нанотрубок до паутины

Кевлар, углеродные нанотрубки, карбонат кальция и синтетическая паутина — четыре очень прочных материала, за которыми с интересом следят профессионалы самых разных сфер деятельности. Их уже активно используют в медицинской и военных целях, и все идёт к тому, что эти материалы в будущем на постоянной основе смогут быть применены и в строительстве.

Вслед за коллегами с портала Archdaily мы изучили документальный фильм «Самые прочные материалы» (World’s Strongest Materials), созданный на одном из самых известных научно-популярных каналов США NOVΛ, и подробнее рассмотрели все четыре материала.

 

Кевлар

Кевлар


Кевлар — ткань из волокна синтетического происхождения, которая в пять раз прочнее стали. Материал был получен еще 50 лет назад и разрабатывался изначально для армирования автомобильных шин. Самое большое применение кевлар пока нашел в бронежилетах, но постепенно захватывает, например, судостроительный рынок, где производители яхт переходят на строительство корпусов полностью из кевлара.

Благодаря особой молекулярной жестокости кевлар на текущий момент считается самым прочным синтетическим волокном в мире. В архитектуре и строительстве прежде всего привлекает его высокий предел прочности на растяжение и долговечность. Применение этой технологии дает возможность снижения веса гибких конструкций вдвое без ущерба для их несущих способностей.

Кевлар. Олимпийский стадион в Монреале

Одним из первых примеров использования кевлара в архитектуре стал Олимпийский стадион в Монреале, открытый в 1976 году. Хотя ничего хорошего тогда из этого не вышло. Из-за сложности технологий сворачиваемая кровля на основе кевлара и башня, поддерживающая ее на тросах, были введены в эксплуатацию только в 1987 году, но уже 11 лет спустя конструкция была заменена из-за множественных повреждений, не выдержав сильных ветров.

Кевлар. Проект небоскреба от Питера Теста

Тем не менее, в последнее десятилетие кевлар снова начинает набирать популярность в архитектурной среде. Питер Теста (Peter Testa) разработал прототип 40-этажного небоскреба без единой несущей колонны, который полностью состоит из композитных материалов, закрученных в плотную структуру. Проект успешно выдержал первоначальные расчеты, в том числе с участием инженеров из Arup, а сам автор утверждал, что в ближайшие 5-10 лет постройка таких зданий станет вполне реальной. Пока прогнозы не оправдываются, но с каждым годом кевларовые технологии становятся все доступнее на рынке.

 

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки


В общем виде такие нанотрубки представляют собой мельчайшие цилиндры (хотя длина трубок может достигать нескольких сантиметров), выложенные правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Такая структура позволяет им в 100 раз превосходить прочность стали, обладая при этом еще множеством полезных свойств для целого ряда областей науки.

Например, из нанотрубок получилось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой. Также технологию используют для разработки по-настоящему невидимых объектов. В строительный сфере углеродные нанотрубки видится прежде всего как альтернатива и скорая замена арматуре в составе железобетонных конструкций.

Структура из углеродных нанотрубок

Например, профессор казанского Института физики Ленар Тагиров подтверждает, что прочность пенобетона с добавлением нанотрубок возрастает в два раза, а кирпича — на 40%. К тому же трубки чрезвычайно устойчивы к проявлениям коррозии, так что в будущем бетон, который сам себя ремонтирует, может уже и не пригодиться.

О значительном прорыве для строительной сферы заявляли ученые из австралийского Перта еще год назад. Компания Eden Energy Limited предлагает производить углеродные нанотрубки из газа, что позволит им выйти на действительно массовый рынок. Ученые даже нашли решение проблемы токсичности материала, вызывающей аналогичные асбестовым волокнам последствия. Но пока разработка все еще находится на этапе тестов.

 

Структура из углеродных нанотрубок

Карбонат кальция


Карбонат кальция является составной частью известняка, мрамора и мела, поэтому обычно и не рассматривается в качестве несущего материала. Но природа и процессы эволюции показывают, что у этого вещества и его производных есть перспективы не только для применения в отделке. Особенность материалов, в состав которых входит карбонат кальция, в том, то они способны переносить высокие нагрузки на сжатие, но при этом остаются очень хрупкими. Например, поставленные вертикально несколько пачек мелков или пара бокалов из хрусталя без проблем выдерживают вес человека.

Особый интерес для изучения представляет строение раковины моллюсков, а именно деликатесного вида Abalone. Его раковина больше напоминает и с виду, и на ощупь камень, неподдающийся никакому внешнему воздействию, хотя на 95% повторяет состав мела. Такие свойства стали возможны благодаря уникальному многослойному строению раковины, где атомы кальция, углерода и кислорода находятся в неподвижности благодаря перекрывающим их слоям протеина.

Здания теперь вряд ли начнут строить из ракушек, но их уникальное строение стало поводом для ученых попытаться повторить структуру, которая сможет соперничать по прочности на сжатие с кирпичом, цементом и бетоном. Если все получится, то в бущущем вполне можно ожидать появления настоящих стеклянных небоскребов и подводных городов с обзорными потолками.

 

Полотно из паутины в Американском музее естествознания в Нью-Йорке

Паутина


Удивительно, но по прочности на разрыв обычная паутина превышает показатели стали и кевлара, при этом еще и способна растягиваться на 140% от первоначальной длины, не деформируясь и оставаясь подвижной даже в условиях экстремального холода. Понятно, что такой материал пригодится в любой сфере, в том числе и в архитектуре. Вопрос только, как наладить его промышленный выпуск.

Самое большое полотно из паутины, известное миру, находится в Американском музее естествознания в Нью-Йорке. Для изготовления этого трехметрового произведения искусства потребовалось более 1 миллиона пауков и труд 70 рабочих. Более коротким путем пошли ученые из Университета Вайоминга. Благодаря генетической модификации коз удалось получить молоко, в котором присутствуют те же молекулярные структуры, что и в паучьем шелке.

В июне 2015 года стало известно о еще одном новом прорыве. Стартап Bolt Threads путем сбраживания дрожжей создал микроорганизмы, способные вырабатывать в большом количестве протеины, входящие в основу паучьего шелка. Полученную субстанцию ученые пропускают через сложную механическую систему, которая сжимает ее, превращая в твердые волокна. Уже в 2016 году в компании обещают выход технологии на рынок, а значит, очередная хорошая новость уже не за горами.

Изображения © gizmodo.com, blog.arkive.org, news.rice.edu, geo.ru, npr.org, arquitecturacarbono.wordpress.com

РАССЫЛКА arch:speech
 
Свежие материалы на arch:speech


Загрузить еще