Η προτεινόμενη έρευνα στοχεύει στην αξιοποίηση των μοναδικών ιδιοτήτων του γραφενίου για την ανάπτυξη μιας πλήρως βιώσιμης στρατηγικής για τη θερμική διαχείριση σε αστικές υποδομές, που περιλαμβάνει την ανάπτυξη και εφαρμογή θερμομονωτικών υλικών με βάση το τσιμέντο, εμπλουτισμένων με οξείδιο του γραφενίου με στοχευμένα εισηγμένες πλεγματικές ατέλειες. Οι ενδεδειγμένες προδιαγραφές του θερμομονωτικού νανοπληρωτικού, όπως ο τύπος και η συγκέντρωση των στοχευμένων πλεγματικών ατελειών, ο βαθμός οξείδωσης και η συγκέντρωση του ίδιου του νανοϋλικού στο νανοσύνθετο, θα υποδειχθούν από προσομοιώσεις σε ατομική κλίμακα (QNT) ενώ η ανάπτυξη του υλικού θα πραγματοποιηθεί με οξείδωση και υγρή χημική αποφλοίωση (ΠΠ). Τo νανο-τροποποιημένο τσιμέντο θα αναπτυχθεί και θα χαρακτηριστεί ως προς τη μηχανική και τη θερμική του απόδοση (ΠΠ) και τα αποτελέσματα θα χρησιμεύσουν ως δεδομένα εισόδου στις δράσεις προσομοίωσης αλλά και μηχανικής μάθησης (ΕΜΠ, QNT).
Η επαλήθευση της ιδέας θα γίνει σε πραγματική κλίμακα με την εφαρμογή του νέου θερμομονωτικού τσιμέντου ThermaGraph εμπλουτισμένου με γραφένιο με στοχευμένες πλεγματικές ατέλειες, σε τοιχοποιία ή οικίσκο που θα κατασκευαστεί για τις ανάγκες του έργου αλλά και σε τμήματα υφιστάμενης τοιχοποιίας (ΠΠ, QNT). Η επιτυχής εφαρμογή, δημοσιότητα και διάχυση των αποτελεσμάτων της έρευνας (TCS TOOLBOX), φιλοδοξείται να αποτελέσει αλλαγή παραδείγματος (paradigm shift) σε εθνικό και διεθνές επίπεδο, για την υιοθέτηση καινοτόμων μεθόδων και υλικών για ένα βιώσιμο, πιο πράσινο μέλλον στις κατασκευές. Καθώς το ερευνητικό πεδίο των στοχευμένων πλεγματικών ατελειών για τη ρύθμιση της θερμικής αγωγιμότητας του γραφενίου είναι σχεδόν παρθένο και το ενδιαφέρον αυξάνεται γρήγορα, η προτεινόμενη έρευνα είναι εξαιρετικά επίκαιρη, για τον πλήρη μετασχηματισμό της τρέχουσας αντίληψης στις μεθοδολογίες κατασκευής κτιρίων.
Η κεντρική ιδέα έργου αφορά στην ανάπτυξη τσιμέντων με ελεγχόμενες θερμικές ιδιότητες, μέσω του εμπλουτισμού τους με γραφένια με στοχευμένες πλεγματικές ατέλειες, ως αποτέλεσμα βελτιστοποίησης με χρήση αναλυτικών μεθόδων προσομοίωσης, μηχανικής μάθησης και πειραματικών δοκιμών. Παρότι το ερευνητικό πεδίο των στοχευμένων πλεγματικών ατελειών για τη ρύθμιση της θερμικής αγωγιμότητας του γραφενίου είναι ακόμη νέο και το ενδιαφέρον αυξάνεται γρήγορα, την χρονική περίοδο της συγγραφής της ερευνητικής πρότασης, καμία αναφορά δεν βρέθηκε στην βιβλιογραφία, στην ιδέα της χρήσης στοχευμένων ατελειών για θερμική διαχείριση με νανο-εμπλουτισμένα τσιμέντα. Το γεγονός αυτό καθιστά την προτεινόμενη έρευνα κρίσιμα επίκαιρη, για τον πλήρη μετασχηματισμό της τρέχουσας αντίληψης στα υλικά και τις μεθοδολογίες βιώσιμων κατασκευών.
Ως το σημαντικότερο και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό, το τσιμέντο βρίσκεται υπό διαρκή έρευνα και ανάπτυξη για την κάλυψη των αναγκών ολοένα και περιπλοκότερων δομών με ολοένα και υψηλότερες απαιτήσεις απόδοσης. Τα τελευταία χρόνια, ραγδαίες βελτιώσεις της απόδοσης έχουν εισάγει τα νανοσύνθετα συστήματα υλικών με βάση το τσιμέντο, στα οποία ενισχυτικές φάσεις νανοανθράκων, όπως γραφένια και νανοσωλήνες άνθρακα, όχι μόνο βελτιώνουν την μηχανική απόκριση του μέσου, αλλά του προσδίδουν πρωτόγνωρες ιδιότητες ευφυίας και πολυλειτουργικότητας όπως αίσθηση του ίδιου φορτίου και της κατάστασης δομικής ακεραιότητας. Από την άλλη πλευρά, οι μεγάλες στρατηγικές βιώσιμης διαχείρισης του περιβάλλοντος και της ενέργειας, όπως η Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία (European Green Deal) της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη βελτίωσης των θερμικών ιδιοτήτων του πρωταρχικού κατασκευαστικού υλικού, για την θέσπιση νέων ενεργειακών και περιβαλλοντικών κατασκευαστικών προτύπων, κατάλληλων για τα βιώσιμα αστικά περιβάλλοντα του μέλλοντος. Πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της μηχανικής των πλεγματικών ατελειών, δείχνουν μια απρόσμενη επίδραση του είδους και της συγκέντρωσης στοχευμένων πλεγματικών ατελειών (defect engineering) αλλά και του βαθμού οξείδωσης στη θερμική απόκριση του γραφενίου, που ανοίγουν για πρώτη φορά το δρόμο για την καινοτόμα κατ’ επιλογή ρύθμιση της θερμικής αγωγιμότητας του υλικού αλλά και των νανοσυνθέτων του όπως το εμπλουτισμένο με γραφένιο τσιμέντο, μέσω του ελέγχου των ατελειών του νανοϋλικού.
Πιο συγκεκριμένα το γραφένιο, ως νανοϋλικό που αποτελείται από μονοστρωματικό άνθρακα σε μορφή δικτύου ατόμων, έχει αναγνωριστεί για τις εξαιρετικές του θερμικές, μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Η εφαρμογή του σε κατασκευαστικά υλικά και συστήματα μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές βελτιώσεις στην ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση και ψύξη. Επιπλέον, η χρήση γραφενίου και παραγώγων του με πλεγματικές ατέλειες στο τσιμέντο μπορεί να βελτιώσει τη θερμική μόνωση των κτιρίων, ελαχιστοποιώντας τις θερμικές απώλειες και τις ψυχρές “γεφυρες” που εμφανίζονται σε αυτό. Μία τέτοια εφαρμογή μπορεί να προσφέρει βελτίωση της αειφορίας βιομηχανικών και αστικών υποδομών (προστασία από υγρασία και τις θερμικές μεταβολές) αλλα και προστασία της κτιριακής πολιτιστικής κληρονομιάς, ενώ αποτελεί έναν καινοτόμο τρόπο ανάδειξης της τεχνολογικής προόδου και της επιστημονικής έρευνας αιχμής στον τομέα της βιομηχανίας κατασκευαστικών υλικών.
Οι κύριοι στόχοι του έργου συνοψίζονται ως εξής:
Το Eργαστήριο Νανοτεχνολογίας και Προηγμένων Υλικών (Nanotech) του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών που διευθύνει ο Αναπλ. Καθηγητής Κωνσταντίνος Δάσιος, διαθέτει πολυετή ερευνητική εξειδίκευση στην έρευνα σε δισδιάστατα προηγμένα υλικά όπως γραφένιο και MoS2 και άλλους νανοάνθρακες όπως νανοσωλήνες άνθρακα. Έχει μεγάλη εμπειρία στην παραγωγή γραφενίου με διάφορες μεθόδους καθώς και στην παρασκευή και τον πλήρη χαρακτηρισμό σύνθετων και νανοσύνθετων υλικών, όπως αποτυπώνεται και στις δεκάδες επιστημονικές δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά υψηλών συντελεστών απήχησης. Περισσότερες από 10 δημοσιεύσεις της ομάδας έχουν ως συν-συγγραφέα και συνεργάτη τον Prof. Novoselov που απομόνωσε το γραφένιο και τιμήθηκε μαζί με τον Prof. Geim με το Νόμπελ Φυσικής το 2010. Το Εργαστήριο αποτελεί κέντρο αριστείας για την έρευνα σε σύνθετα υλικά, όπως (α) νανογραφιτικά πολυμερή σύνθετα υλικά και (β) συμβατικά σύνθετα υλικά ινών άνθρακα και Kevlar, ενώ σημαντική έρευνα διεξάγεται στον τομέα της έρευνας και ανάπτυξης ευφυών νανοτροποποιημένων συστημάτων υλικών με βάση το τσιμέντο. Διαθέτει μεγάλη γκάμα πειραματικών οργάνων και μετρτητικών διατάξεων όπως φασματοσκόπια Raman, μικροσκόπιο ατομικής δύναμης καθώς και σειρά από αντιδραστήρες χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) για την παραγωγή δισδιάστατων υλικών.
To Εργαστήριο Κατανεμημένων Συστημάτων (DSLab) της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείο, αναπτύσσει λύσεις σε μερικά από τα πιο δύσκολα προβλήματα στη μηχανική λογισμικού, την ανθεκτικότητα και την ασφάλεια, στα συστήματα νεφο-ϋπολογιστικής και εκτέλεσης αναλυτικών δεδομένων. Η ομάδα έχει ισχυρή συνεργασία με άλλα ερευνητικά κέντρα, πανεπιστήμια, βιομηχανικούς εταίρους και σημαντικούς επιστήμονες παγκοσμίως. Οι ερευνητικές δραστηριότητες της DSLab αφορούν τα πρωτόκολλα και τους αλγόριθμους για Υπολογιστικά Συστήματα Υψηλών Επιδόσεων, την ενορχήστρωση ασφαλών υπηρεσιών, τα Υπολογιστικά Συστήματα Υψηλών Επιδόσεων και τα νευρωνικά δίκτυα, τις αρχιτεκτονικές και τεχνολογίες ανάλυσης δεδομένων και τα συστήματα νεφοϋπολογιστικής, τα αυτό-οργανωμένα δίκτυα και τις ασφαλείς αρχιτεκτονικές υπολογιστών. Επικεφαλής του DSLab είναι ο Καθ. Τσανάκας, ο οποίος έχει συμμετάσχει σε μια σειρά από έργα της ΕΕ (PolicyCLOUD, CrowdHEALTH, PRIVILEDGE, GRID4ALL, PANORAMIX, OpenMINTeD, SMART-PIV) καθώς και σε πολλά Εθνικά έργα.
Η εταιρεία QNT είναι μια υψηλών προδιαγραφών καινοτόμος εταιρεία ψηφιακής τεχνολογίας που επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, δοκιμή και υποστήριξη της κβαντικής ετοιμότητας (quantum readiness) και της τεχνολογίας αλγορίθμων σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους. Ο στόχος της QNT είναι ο συνδυασμός των κβαντικών υπολογισμών με μεθόδους μηχανικής μάθησης. Η εταιρεία διαθέτει έναν αφοσιωμένο πυρήνα από πολύ έμπειρους και υψηλά εξειδικευμένους μαθηματικούς, φυσικούς και μηχανικούς υπολογιστών (οι περισσότεροι από τους οποίους κατέχουν διδακτορικά πτυχία στον τομέα τους). Η εμπειρία των επιστημόνων της QNT στη θεωρητική φυσική, σωματιδιακή φυσική, μαθηματικά και μηχανική μάθηση σε συνδυασμό με τους υπολογιστικούς πόρους της εταιρείας επιτρέπουν την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων και αριθμητικών προσομοιώσεων στις φυσικές επιστήμες, που επιτρέπουν σχεδιασμό νανοϋλικών με ιδιότητες με κατ’επιλογή. Ταυτόχρονα, η ενασχόληση της εταιρείας στην εφαρμογή τεχνικών μηχανικής μάθησης σε διάφορα προβλήματα διευκολύνει τη συνεργασία με τους υπόλοιπους φορείς του έργου για την βέλτιστη αποτελεσματικότητα και αλληλεπίδραση.
Η εταιρία TCS TOOLBOX παρουσιάζει μια πολύπλευρη εμπειρία στη σφαίρα της συμβουλευτικής, με επίκεντρο έργα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, τόσο για τον δημόσιο, όσο και τον ιδιωτικό τομέα. Παράλληλα, συμμετέχει ενεργά στη διαχείριση ερευνητικών και αναπτυξιακών προγραμμάτων, φέροντας ένα ευρύ ιστορικό συμμετοχής σε αντίστοιχα εθνικά και ευρωπαϊκά έργα.