73
1 Skills for Climate Change The use of nanoand other emerging technologies to support environmentallyresponsible construction and building services Report and recommendations Prepared by the Institute of Nanotechnology 31 July 2012

SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

Embed Size (px)

DESCRIPTION

SFCC Report - The use of nano- and other emerging technologies

Citation preview

Page 1: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

 

 

Skills for Climate Change 

 

 

 

 

The use of nano‐ and other emerging technologies to support 

environmentally‐responsible construction and building services 

 

Report and recommendations 

 

 

 

 

 

 

 

Prepared by the Institute of Nanotechnology 

31 July 2012

Page 2: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

 

Contents 

Executive Summary                  3 

Introduction                    5 

Trends and needs in the use of novel technologies to create “smart buildings”    6 

  What is included under the term “construction”?        6 

  What are “smart buildings”?              6 

Economic and social drivers                7 

  The political landscape                7 

  Improving societal benefits              10 

  Meeting the needs of a demographically‐ageing population      10 

  Economic trends in building and building materials        11 

  Potential barriers to implementation            15 

Overview of nano‐ and other emerging technologies available for the                                                                   construction and building services and engineering sectors        16 

  What is nanotechnology?              16 

  Descriptions of building products utilising nanotechnology      17 

  Technology Readiness Levels              37 

Environmental impacts                  39 

Managing risks and addressing health and safety issues          43 

Facilitating the skills required to implement novel technologies        52 

The creation of new learning tools              54 

References                    58 

Appendix A:     Example of employer questionnaire          60 

Appendix B:  Responses to questionnaire            61 

Appendix C:  Draft “core” NVQ Level 3 module on nanotechnologies      66 

 

Page 3: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

 

The use of nano‐ and other emerging technologies to support environmentally‐responsible construction and building services  

Executive Summary 

Construction is one of the largest sectors and employers in the UK. According to the UK 

Government’s Department for Business Innovation and Skills (BIS), the UK construction industry 

comprises more than 300 000 firms employing over 2 million people in a multitude of roles. The 

construction sector is defined as one which embraces the construction materials and products; 

suppliers and producers; building services manufacturers, providers and installers; contractors, sub‐

contractors, professionals, advisors and construction clients and those organisations that are 

relevant to the design, build, operation and refurbishment of buildings1. BIS also estimates that the 

UK construction sector contributed 8.3% of the nation’s GVA (Gross Value Added) in 2008. 

In the UK, the use of buildings is estimated to account for about 50% of total CO2 emissions. 

Construction activity itself contributes around another 7%. Together these activities use the most 

energy and create the highest CO2 emissions in the UK from a specific sector and contribute also to 

other forms of pollution. 

The Federation of Master Builders (FMB), an organisation representing thousands of small and 

medium‐sized (SME) member building companies in the UK, believes that the building industry 

should be a lead player in the move towards a low‐carbon built environment and has made policy 

recommendations to government and opinion formers to enable builders to play a constructive role 

in contributing to greener, more energy‐efficient building. The FMB also plans to work closely with 

the UK Government to support the UK’s new “Green Deal” building energy efficiency initiative to the 

benefit of the economy, consumers and the environment. 

The objective of the additional research carried out in the current study has been to examine 

whether emerging technologies, such as nanotechnology, can make a contribution towards a low‐

carbon and environmentally‐friendly construction and building services industry. The use of 

nanomaterials and nanotechnologies is becoming widespread across a range of industry sectors and, 

according to an inventory by the US Project for Emerging Nanotechnologies (PEN), there were some 

1,317 nanotechnology‐containing consumer products on the US market in March 2011, an increase 

of 521% in the five years since March 20062. 

Page 4: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

Over recent years,  a range of materials and products containing nanomaterials or based on 

nanotechnologies have appeared in the construction sector and, in general terms, are aimed at 

providing novel high‐performance materials, improving the efficiency of buildings, reducing material 

consumption, reducing energy consumption and energy loss, facilitating the capture and storage of 

renewable energy, reducing greenhouse gas emissions and contributing to “smart” and networked 

homes and other buildings. An overview is provided in this report of a number of different materials 

and products that can contribute towards meeting these objectives across a range of applications. 

While the UK is amongst the leaders in terms of nanotechnology research and whilst degree and 

postgraduate courses in various aspects of nanotechnology are becoming established at university 

level, there is a scarcity of information, learning resources and training materials available at 

vocational training levels (e.g. NVQ Levels 1 to 4) and below, and almost none on the subject of 

applying such technologies to “green construction”. In this context, the UK’s Nanotechnology 

Strategy of 2010 (reviewed in greater depth later in this report) concludes that 

– “people with sufficient skills in this high‐value, high‐skilled, knowledge‐based market are 

essential to drive innovation and sustain the development of nanotechnologies. Currently the 

two most important barriers to the supply of skilled people are the lack of adequate training 

programmes and the high cost of those that do exist” 

– there is a need to work with the relevant sector skills councils and UK Commission for 

Employment and Skills to identify longer term skills needs in advanced sectors and ways in 

which these needs can be addressed; 

Taking into account the novel technologies emerging within the construction and building services 

sector, this report identifies some of the knowledge gaps that exist and makes recommendations 

towards the development of training and learning tools that could contribute to addressing these 

skills gaps and which could complement other emerging initiatives. These proposed tools include: 

– the continued development of a “core module” for NVQ levels 2 and 3 addressing the 

application of nanotechnologies to the construction, facilities management, and energy and 

utilities sectors, and inclusion in this module of reference to sustainable construction and use 

of nanotechnologies towards achieving a low‐carbon industry footprint  

– Possible NVQ level 1 to 3 modules on specialist applications of emerging technologies 

– the development of online self‐learning materials based on the adaptation of existing 

materials developed by the Institute of Nanotechnology and Newham College 

– development of Newham College’s “Discovery Lab” concept into a “Discovery Lab Academy” 

– the development of existing Institute of Nanotechnology materials into “training for trainers” 

course materials covering nano‐ and other emerging technologies

Page 5: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

 

Introduction 

The construction sector has an annual turnover of almost €1000 billion in the European Union, 

employs around 30 million people, and accounts for about 10% of European GDP. Buildings also 

represent 42% of the energy use and 35% of greenhouse gas emissions in Europe3. In the UK, the use 

of buildings is estimated to account for about 50% of total CO2 emissions: construction itself 

contributes around another 7%. Together these activities use the most energy and create the highest 

CO2 emissions from a specific sector in the UK, together with other forms of pollution. The 

sustainable building association (AECB) have claimed that government figures on the energy 

performance of houses greatly underestimate the levels of CO2 reduction that could be achieved by 

building energy efficient buildings. It is clear, therefore, that an environmentally‐friendly approach in 

the construction of highly energy‐efficient buildings will be crucial for a future development towards 

a sustainable construction.  

Nanotechnologies are increasingly being applied in construction to reduce energy consumption, 

improve the efficiency of building and reduce greenhouse gas emissions. These uses include 

applications as diverse as lightweight, strong and self‐healing concrete; self‐cleaning surfaces; flexible 

solar panels for sustainable energy capture; surfaces that can absorb and break down NOx pollutants 

in the air; UV/IR blocking materials; and low energy, light‐emitting walls and ceilings. 

Due to the global economic downturn since 2008, the growth of nanotechnologies now exhibits a 

more evolutionary pattern that was previously predicted with some downward adjustment in earlier 

market forecasts. Lux Research’s 2009 global nanotechnology market forecast4 decreased by 4% as 

compared to its 2007 estimates but, nevertheless, still predicts a global market for nanotechnology‐

enabled products of around $2.5 trillion by 2015. Policymakers are often especially interested in the 

economic development effects of new technologies, such as nanotechnologies and their impact on 

low‐carbon products and technologies, including impacts on jobs and wages.  According to a 2012 

OECD5 paper, it is widely expected that new employment will be generated through research, 

manufacturing, delivery, use, and maintenance related to green nanotechnology products and 

processes, and associated industries and services, although predicting the number of new jobs is 

difficult. Existing workers may shift into green nanotechnology activities as conventional products are 

replaced, although the metrics for determining such activities are complex. However, according to a 

recent paper by Teizer et al6, while some construction industry sectors follow research and 

development in nanotechnology, the industry does not take on a leadership role. They suggest that, 

with proper knowledge of the potential products and techniques offered through an investment in 

Page 6: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

nanotechnology, the construction industry may potentially improve the efficiency of its processes 

and offer better products to clients. 

Trends and needs in the use of novel technologies to create “smart buildings” 

What is included under the term “construction”? 

 

Figure 1. Construction – a massive sector (Image: G Herrmann: www.sxc.hu) 

The construction industry is defined in accordance with the UK Standard Industrial Classification of 

Economic Activities 20077. This industry definition includes general construction and allied 

construction activities for buildings and civil engineering works. It includes new work, repair, 

additions and alterations, the erection of prefabricated buildings or structures on the site and also 

construction of a temporary nature.  

General construction includes the construction of entire dwellings, office buildings, stores and other 

public and utility buildings, farm buildings etc., or the construction of civil engineering works such as 

motorways, streets, bridges, tunnels, railways, airfields, harbours and other water projects, irrigation 

systems, sewerage systems, industrial facilities, pipelines and electric lines, sports facilities etc. This 

work can be carried out on an own account or on a fee or contract basis. Portions of the work and 

sometimes even the whole of the practical work can be subcontracted out. Also included is the repair 

of buildings and civil engineering works.  

What are “smart buildings”? 

There are many definitions of “smart buildings”. One description that perhaps encapsulates the 

concept of “smart building” well in the context of this report is from the electronics and engineering 

company Siemens “…only solutions which create the greatest synergies between energy efficiency, 

comfort and safety and security will be sustainable over the long term … solutions that turn buildings 

into living organisms: networked, intelligent, sensitive and adaptable”. Another important attribute 

 

Page 7: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

of smart buildings is that they can monitor and adapt to the needs of their occupants and link to 

external services such as utilities, healthcare and social care services. 

Economic and social drivers 

The political landscape 

United Kingdom: Government initiatives 

UK Nanotechnology Strategy 2010 

The UK Nanotechnology Strategy8 was developed by the UK government and published in 2010. This 

strategy, which looked at the strategic opportunities for nanotechnologies in the UK, stated that 

- nanotechnologies are important to the future of the UK because of their potential to improve 

many types of consumer products 

- nanotechnologies could also help us address universal challenges such as global warming and 

food sustainability 

- the worldwide transition towards the greater use of nanotechnologies is a significant economic 

opportunity for the UK. The global market in nano‐enabled products is expected to grow from 

$2.3 billion in 2007 to $81 billion by 2015.To fully meet this opportunity, the UK will need to build 

upon its existing commercial strengths in nanotechnologies. 

- the UK is ranked third in the world, after the US and Germany, when it comes to the number of 

nanotechnologies companies operating. The European Commission completed a study of the 

economic development of nanoscale technology in 2006. According to this the UK was: 

- fourth in terms of number of patents applied for in the area of nanotechnologies, after 

the US, Japan, and Germany; 

- very strong in nano‐optics, placed third after the US and Japan; 

- fourth on nanoscale materials after the US, Japan and Germany. 

In its subsequent report “Nanotechnology: a UK Industry View, 2010”, the Mini‐ITG that contributed 

to the content of the Strategy went on to conclude: 

“People with sufficient skills in this high‐value, high‐skilled, knowledge‐based market are essential to 

drive innovation and sustain the development of nanotechnologies. Currently the two most important 

barriers to the supply of skilled people are the lack of adequate training programmes and the high cost 

of those that do exist” 

Page 8: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

In the section of the report entitled “Raising Awareness and Education” (Action 2.9) the UK 

Nanotechnology Strategy states: 

“The skill requirements of the nanotechnologies sector will be addressed through a range of 

complementary Government policies, as outlined in Government’s framework for higher education 

“Skills for Growth” (www.bis.gov.uk/skillsforgrowth) and “Higher Ambitions” 

(www.bis.gov.uk/higherambitions).” 

These proposed targets and measures included:  

- making 35,000 additional advanced apprenticeships available for 19‐30 year olds over the next 

two years to meet technical skills needs in advanced manufacturing sectors; 

- measures to make the adult skills and higher education systems more responsive to the needs of 

employers; 

- resources for skills focused on areas of the economy which can do the most to drive growth and 

jobs, including science, technology, engineering and mathematics (STEM) at higher education 

level; 

- working with the relevant sector skills councils and UK Commission for Employment and Skills to 

identify longer term skills needs in advanced sectors and ways in which these needs can be 

addressed; 

- RDAs addressing skills supply for growth sectors, such as nanotechnologies, in their skills 

strategies, so that skills provision is responsive to regional strategic economic needs. 

The “Green Deal” 

The Government’s flagship “Green Deal” policy9 is aimed at helping the owners of homes and 

businesses to improve the energy efficiency of their properties at no upfront cost, thereby helping to 

cut carbon emissions and lower energy bills. 

The Green Deal will enable many businesses to set up as Green Deal providers and offer consumers 

the finance to carry out energy‐efficiency retrofit work on their property. Repayment for the work 

will then be covered by the energy bill savings that result. The Energy Act 2011 sets out the financing 

mechanism and legal framework for the Green Deal. Importantly, this legislation allows the cost of 

the work to be attached to the building rather than the individual, so when a person moves house 

they no longer have to make the repayments. The first work to be carried out under the Green Deal 

is expected to start in autumn 2012.  

United Kingdom: Industry initiatives 

Page 9: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

 

The Federation of Master Builders (FMB), the largest trade association in the UK construction 

industry, has some 10 000 members UK‐wide.  As the voice of small to medium sized enterprises 

(SMEs) in the construction industry, the FMB has recognised the role construction can play in 

creating a more sustainable Britain and is committed to ensuring that government objectives for 

sustainability are practical. The FMB believes there are four key drivers to bring about a low carbon 

built environment: 

the need to minimise waste across the industry; 

the need to reduce carbon emissions from housing and other buildings through innovation in 

materials and process; 

the need to create sustainable communities and a sustainable work force;  and 

the need to give as much specific and practical advice as we can, directed to real design and 

site activity. 

The FMB is states that the building industry should be a lead player in the move towards a low 

carbon built environment and aims to achieve this by outlining policy recommendations to 

government and opinion formers to enable builders to play a full and constructive role in building the 

new greener, more energy efficient Britain. The FMB is also working closely with the UK Government 

to make sure the Green Deal initiative can be delivered successfully and can capture the benefits for 

the economy, consumers and the environment. 

Germany 

As long ago as May 2004, the Times Higher Education Supplement10 reported on initiatives in 

Germany to launch an “apprenticeship offensive”, where a particular potential for apprenticeships in 

the growth areas of microsystems technology, nanotechnology and biotechnology was identified. 

The then German Minister for Education and Research, Edelgard Bulmahn, underlined the urgency of 

the situation, referring to the growing demand for skilled workers and technicians, saying “The 

experts have all agreed that, without effective efforts in the area of training, by the year 2015, in the 

age group 35 to 45, we will have a shortage of 3.5 million skilled workers.”  

Switzerland 

In Switzerland, the Innovation Society, St.Gallen, with the support of several Swiss Federal Offices 

(OPET, FOEN, FOAG) launched the “Swiss Nano Cube” project11 in 2009 together with the Swiss 

Federal Institute for Vocational Education and Training (SFIVET) and partners from industry. The 

Swiss Nano‐Cube is an interactive knowledge and education gateway for micro and nanotechnology 

for use in vocational and grammar schools. The goal of Swiss Nano‐Cube is to awaken interest for 

Page 10: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

10 

 

technological and natural scientific topics among young people, thereby imparting knowledge about 

practice‐relevant knowledge of nanotechnology for apprentices. Although being a key technology 

with a huge potential and diverse application opportunities, teaching material and education and 

formation offers for nanotechnology are scarce. Many teachers have not dealt with nanotechnology 

in their education and the Swiss Nano‐Cube project is therefore intended to bridge this gap.  

Improving societal benefits 

The application of novel technologies to construction is expected to contribute significantly towards 

a number of societal benefits including the following: 

– affordability 

– self‐sufficiency in energy, e.g. heat exchange, lighting, solar/heat energy 

– a better quality of life 

– aesthetic improvement 

– improved building life cycles 

– improved maintenance schedules 

– decreased environmental impact 

– increased use of sensors and networking, e.g. for utilities monitoring 

– better coatings for windows, roofs, and facades 

– increase R‐value glass 

– control of pathogens in the home 

– decay‐ and insect attack‐resistant woods and composites 

– improved structural integrity 

– improved performance of components such as adhesives, sealants and paints 

Meeting the needs of a demographically‐ageing population 

According to the Office for National Statistics12, in the UK life expectancy at birth has now risen to 

78.2 years for men and to 82.3 years for women, and this trend of increased life expectancy is 

expected to continue due to continuing improvements in healthcare and living standards. On a global 

basis, a report by the Organisation for Economic Cooperation and Development13 suggests the cost of 

caring for the elderly could treble by 2050.  

The OECD further estimates that 10% of people in OECD countries will be more than 80 years old by 

2050, up from 4% in 2010 and less than 1% in 1950, and that OECD member countries are spending 

1.5 % of GDP on long term care. An illustration of the predicted changes in population age for men 

and women is given in figure 2. 

Page 11: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

11 

 

Figure 2. Changes in population age distribution 2004‐2050 

Due to pressures on healthcare systems and budgets that this dramatic increase in an ageing 

population will bring in the UK, there is an increasing focus on providing a range of technology‐driven 

and networked services, especially in the fields of patient monitoring and developing "smart homes" 

that provide a range of sensing, monitoring and communication systems to enable elderly people to 

live, and to continue to have a high quality of life, in the comfort of their own homes whilst 

remaining in touch with carers and healthcare professionals. Such solutions also allow scarce 

healthcare and social care resources to be targeted where and when they are required with a 

potential for massive consequent savings on costs. 

Economic trends in building and building materials 

A variety of factors contribute to the overall short, medium and long‐term costs of building materials. 

Figure 3 illustrates the relationship between some of these parameters and the sections that follow 

describe the potential economic impacts of a number of nano‐based construction materials and 

technologies. 

 

Page 12: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

12 

 

Figure 3: Construction materials: needs analysis 

Construction materials 

With a production volume of more than 14 billion tons per year, concrete is the most widely‐used 

man‐made material on earth. Nano‐enhanced cement and concrete have not yet become 

commonplace construction standard materials although they potentially offer a number of significant 

advantages over traditional materials.   

Since many of the benefits of “nanoconcrete” are environmental, the likelihood of increased 

legislation aimed at lowering the carbon footprint of manufacturing (around 5% of global CO2 

emissions are claimed to originate from cement and concrete production) and other advantages  

such as savings in materials (e.g. an estimated saving in cement of around 35‐45%) and in operational 

time are likely to play an important role in increasing market penetration.   

According to data presented at a 2007 US workshop sponsored by the US National Concrete 

Pavement Technology Center and the National Science Foundation14, one significant need in 

concrete construction is to significantly increase reliability. It is estimated that up to 10% of concrete 

placed in a given year fails prematurely or is below standard from the beginning. Considering that 

concrete construction is a US$700 billion dollar industry worldwide, even a small reduction in the 

such problems, many of which could be addressed by use of nano‐based materials, would amount to 

significant economic savings and performance benefits 

 

 

 

Page 13: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

13 

 

Water and waste water 

The market for nano‐enabled water and wastewater applications is predicted to reach US$6.6 billion 

by 2015, up from US$1.6 billion in 20075. 

Self‐cleaning glass 

The market for the coating of flat glass for low emissivity was estimated at US$1 billion in 201015 . 

The market for electrochromatic glass is expected to reach US$218.3 million in 2013. 

Insulation materials 

Aerogels, in substitution for denser foam‐based insulation, are estimated to comprise a US$646.3 

million market by 201316, although their initial applications are expected to be as insulation in gas 

and oil pipes, medical devices, and aerospace rather than insulation materials in building 

construction.  

The higher current cost of these materials, relative to conventional building materials, may be a 

factor in initial market uptake by the construction industry, although they ultimately promise higher 

levels of performance.  

Sealants and adhesives 

This category of nano‐enabled products was worth €1.9 billion to the European construction industry 

in 2009 and it is estimated that around 10% of adhesives and sealants contain nano‐fillers.17 

Nanocomposites 

In 2011 the global consumption of nanocomposites was US$920 million and 138,389 metric tonnes18. 

With a compound annual growth rate of 19% in unit terms and of 21% in value terms, the market for 

nanocomposites is predicted to grow to 333,043 metric tonnes with a value of about US$2.4 billion 

by 2016.  

While the majority of these nanocomposites are currently used in packing and automotive 

applications, applications in other sectors are also increasing due to the advantages nanocomposites 

offer over conventional materials. 

Technical textiles 

The current global market for technical textiles is around US $127 billion (23.77 million tonnes). It is 

currently estimated19 that construction textiles amount to about 10% of the total technical textiles 

market, corresponding to about US $12.7 billion, with a growth rate) of around 5% per year. 

Page 14: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

14 

 

Solar energy and photovoltaics 

Nanotechnology‐enabled solar cells and photovoltaic applications are frequently highlighted as 

potential growth markets. Lux Research’s estimate of the global market for nano‐enabled solar cells 

for 2011 was US$1.2 billion.20 

Energy storage 

The use of nanotechnology in energy storage was estimated to be a US$3.7 billion market by 2011 

according to Lux Research (2007)20. 

Low‐power organic light‐emitting diode (OLED) lighting 

While there is limited OLED production at present, major manufacturers are gearing up for 

production and a global market of around US$10.6 billion is estimated by 2020.21 

Plastics electronics and flexible displays 

IDTechEx predicts that the plastic electronics market will be worth around US$ $63.28 by 2022.22 

Applications are likely to include flexible displays (sometimes referred to as e‐paper), electronic RFID 

tags, intelligent packaging, bio‐sensors, disposable electronics and intelligent textiles. 

Site remediation 

In the U.S. there are between 235 000 and 355 000 sites that require cleanup at an estimated cost of 

between €115 and 168 billion. In Europe an estimated 20 000 sites need to be remediated, and 

another 350 000 potentially contaminated sites have been identified by the European Environment 

Agency. Nano Zero Valent Iron (nZVI) is emerging as a new option for the treatment of contaminated  

soil and groundwater. Due to their small size, the particles are much more reactive than granular iron 

which is conventionally applied in reactive barriers and can be used for in situ treatment. nZVI 

effectively reduces chlorinated organic contaminants (e.g. PCB, TCE, PCE, TCA, pesticides, solvents), 

inorganic anions (perchlorate) and to remove dissolved metals from solution (e.g. Cr(VI), U(VI)).23 

Biosensors 

A Frost and Sullivan market analysis suggests that the global revenue for the biosensors market will 

continue to exhibit strong growth and will rise from $6.72 billion in 2009 to €14.42 billion by 2016. 24 

Annual revenue growth rates are likely to be in the region of 12% to 14% by 2016. 

The UK government estimates a £12.4 million market impact over 20 years impact for sensors for 

carbon monoxide (CO) detection alone. 

Page 15: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

15 

 

Potential barriers to implementation 

There are a number of potential barriers to the implementation of nanotechnologies in the 

construction and building services sectors: 

– lack of awareness of developments in the application of nanotechnologies to building materials 

and products amongst architects, civil engineering and construction contractors, and the owners 

and users of buildings; 

– lack of knowledge of the benefits, often long‐term, of nano‐enabled products, over traditional 

materials, including benefits concerning environmental impact; 

– cost implications: while in the long‐term they may be cost‐effective and bring additional benefits, 

nano‐based products may be more expensive initially than traditional products and short‐term 

cost savings may be a disincentive to their use; 

– fears over the safety of nano‐based materials in manufacturing, use and at end‐of‐life; 

– underpinning the previous points, a lack of education about nano‐enabled materials and 

products at various levels in the sector chain. 

Page 16: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

16 

 

Overview of nano‐ and other emerging technologies available for the 

construction and building services and engineering sectors 

What is nanotechnology? 

Nanotechnology is a branch of science and engineering that studies and exploits the unique behavior 

of materials at a size scale of approximately 1 to 100nm (nanometers). One nanometre (1nm) is 10‐9 

m (one billionth of a metre or about 10 000th the diameter of a human hair). At this minute size 

scale, the properties of matter can change dramatically due to a variety of physical effects, and these 

novel characteristics can endow materials and products with many useful new properties.  

The British Standards Institution (BSI) defines the nanoscale as being “where one or more dimensions 

are in the order of 100nm or less”, so a nanomaterial may be a surface or other structure as well as a 

particle.25 

Nanotechnology is also usually taken to mean materials or surfaces that are intentionally altered or 

manipulated at the nanoscale (1nm to +/‐ 100nm) to provide useful new properties. These novel 

properties at the nanoscale can frequently be harnessed to provide increased functionality and 

performance to materials and products. 

One important point worth reinforcing is that natural nanomaterials are ubiquitous in the 

environment and constantly interact with the human body which has evolved over hundreds of 

thousands of years in the presence of such materials.  

In the case of novel nanomaterials, there is a clear need for thorough research to characterise their 

properties, identify any hazards associated with them, assess and manage risks, and undertake  

risk/benefit analyses to establish whether they are safe to use in products and whether any 

precautions are required for their use. Further information on risk and safety is provided later in this 

report together with a table (table 2) providing examples of benefits and risks of some materials used 

in the construction sector. 

There is sometimes also apprehension over nanotechnology due to lack of understanding of what it 

represents: it is a development of existing technologies in that it essentially represents the ability to 

intentionally manipulate materials at the nanoscale using novel tools and processes. In this sense 

nanotechnology can be considered an “enabling technology”. 

Page 17: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

17 

 

Figure 4: Graphical representation of nano‐, micro‐ and macroscales (Image: Massey University, NZ) 

 

The following sections provide an overview and brief description of some of the emerging products 

and materials based on nanotechnology that are increasingly being utilised in construction. 

Nano‐concrete and cement 

The application of silica nanoparticles has enabled cement and concrete products to be developed 

that are significantly lighter than conventional concrete (up to 40% less dense), have improved 

viscosity and rheology, are lower in porosity and therefore have lower permeability and better wear, 

have good strength characteristics, can enable a substantial reduction in materials, and which can 

also offer other economic benefits such as reduction in operational time. Other nanomaterials can 

also be added to produce products such as concrete paving slabs that can photocatalyse nitrogen 

oxides and other urban pollutants. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Case study 

In 2009 the contractor Acciona, a Spanish energy and infrastructure company committed to sustainability, used a 

nanosilica‐containing concrete in the construction of a liquefied gas tank domed roof in Cartagena, Spain. The design 

requirements called for high‐strength structure with low shrinkage and an absence of flaws and fissures, good 

mechanical properties because of the pressures caused by the sloping design and good workability of the concrete to 

fill the steel reinforcement matrix. The use of the nanosilica‐based concrete 

– reduced the total amount of cement needed; 

– diminished plastic retraction and the risk of fissures; 

– improved its mechanical and flow properties; 

– provided low permeability; 

– gave high resistance (25 MPa in only 12 hours; 40 MPa in 2 days; 50 MPa in 7 days; 60 MPa in 28 days); 

– provided a cost reduction of 12% in materials as well as further savings, e.g. shorter construction time. 

 

Page 18: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

18 

High‐performance self‐cleaning glass and smart glazing 

Self‐cleaning Surfaces 

Architectural glass is a widely‐ used material in modern buildings. The use of sheet glass as facade 

cladding is widespread in non‐residential buildings. However, ordinary window panes become easily 

soiled due to the intrinsic hydrophilic (“water‐attracting”) nature of glass. 

 

Figure 5. Normal (left) vs. self‐cleaning (right) glass 

 A common approach to overcome such soiling has been based on hydrophobic (“water‐hating”) and 

super‐hydrophobic coatings using silanes. However, such hydrophobic coatings have to be placed on 

the outer glass pane where they are exposed to atmospheric conditions and mechanical strain which 

finally leads to degradation of the protective layer.  

A completely different, nanoscale, approach is based on the photocatalytic properties of titanium 

dioxide (TiO2). TiO2 is a common white pigment which is used in paints, but is also an efficient UV 

absorber. This property can be exploited in active coatings which are able to break down dirt through 

the production of free radicals. TiO2 is a compound semiconductor which exists in three different 

chemical forms known as anatase, rutile and brookite forms. The anatase form, in particular, exhibits 

photocatalytic properties which makes it a suitable candidate for self‐cleaning photocatalytic 

coatings which are activated by UV radiation.  

A number of companies are producing such self‐cleaning glass for construction use which is self‐

cleaning. The leading UK‐based glass manufacturer, Pilkington PLC, has developed a self‐cleaning 

glass called Pilkington Activ™ which has an incorporated hard, dual action surface coating with 

hydrophilic and photocatalytic properties, based on a 15nm (nanometre) layer of TiO2.  Organic and 

inorganic deposits on the surface of the glass are broken down by sunlight through photocatalysis 

and, because the surface is hydrophobic, are readily washed away by rain or by simple hosing. The 

effects are continuous and last the lifetime of the glass.  

 

Page 19: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

19 

 

Figure 6. Photocatalytic breakdown of dirt on glass by sunlight 

The same photocatalytic principle has also been applied to clay roof tiles where a self‐cleaning 

functionality is also activated by sunlight preventing the growth of unwanted lichens or mildew. 

Low‐emissivity (low‐E) coatings 

Glass facades allow the construction of transparent and lightweight structures. However, the 

comparatively high transmittance for visible light and infrared light (IR) of sheet glass is a major 

disadvantage. The high transmittance of IR causes a large heat transfer into the building which makes 

additional air conditioning necessary. However, it is possible to maintain a high transmittance for 

visible light and lower the reflectivity infrared selectively. Such coatings are referred to as "low‐e" or 

"low emissivity" coatings. A typical low‐e coating is based on layers of thin silver nanocoating (around 

30nm or less) surrounded by dielectric layers. Silver loses its metallic appearance when deposited as 

an ultra‐thin nanocoating. Low‐e coatings can be applied to large area sheet glass using physical 

vapour deposition techniques. 

Smart glazing 

Besides passive functional coatings, switchable dynamic coatings for glass have also been 

investigated intensively. Windows with a dynamic transmittance are often referred to as “dynamic 

glazing” or “smart glazing”. They are divided into active and passive systems, whereby the active 

coatings can be switched by pushing a button and the passive ones for example react to changes in 

temperature (thermochromic coatings) or light incidence (photochromic coatings).  

 

Page 20: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

20 

 

Figure 7. Electrochromic glass 

Electrochromic glazings can alter their transmittance when a small voltage is applied to the 

electrochromic coating. Gaschromic  glazings change their transmittance in the presence of suitable 

gases. In the case of tungsten oxide (WO3) coatings, hydrogen is the element responsible for the 

transmittance, which can be varied continuously between 1 and 75 %. The inner surface of the 

insulating glazing units is coated with nanoscale tungsten oxide. This invisible film takes on a deep 

blue colour when it comes into contact with the smallest amounts of hydrogen. The colour is 

bleached away if oxygen is introduced. 

Polymer‐dispersed liquid crystal (PDLC) glazings allow switching between a transparent and an 

opaque state. Such glazings do not alter the overall transmission but, rather, switch between a non‐

diffuse and diffuse transmission, and are often used in privacy glass.  

Another approach is based on strong anisotropy (directional dependence) in absorption by some rod‐

like nanoparticles. This technique is called a suspended particles device (SPD). SPDs allow switching 

between a bright and a dark state by applying a voltage. The comparatively high cost of smart glazing 

has, however, limited its wide use so far (privacy glass costs approximately €1700  per square metre). 

Anti‐reflective coatings 

The efficiency of photovoltaic cells suffers from reflection from the smooth silicon surface with only 

around two‐thirds of the incoming light being absorbed by an untreated silicon solar cell. Several 

approaches for reflection reduction have been developed. A common anti‐reflective coating (ARC) is 

based on a single quarter‐wavelength layer made of silicon nitride (SiNx). 

A more sophisticated, biomimetic technique is based on a low‐reflectivity, regular micro‐structure 

found in many insect compound eyes. For example, the compound eyes of moths have regular low‐

reflectivity conical structures of about 300 nm on their surfaces that help protect the insect from 

being seen by nocturnal predators. In order to mimic these natural structures, several different 

approaches have been carried out.  

 

Page 21: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

21 

 

For small areas, imprinting techniques have been investigated intensively. For larger areas, the use of 

spin‐coating and etching have also been reported. However, since the production of regular pillars or 

conical protrusions at the nanoscale is cost‐intensive, porous layers and other microstructures are 

under investigation. The use of a sol‐gel technique (a cheap and low‐temperature technique where a 

“sol” (or solution) gradually evolves towards the formation of a gel‐like system containing both a 

liquid phase and solid phase) to produce a microporous coating through a simple dipping process is 

one such promising approach towards producing a broadband anti‐reflective coating which is 

available at reasonable cost. 

An alternative approach is based on a layer stack with alternating high and low refractance materials. 

This technique is widely used for anti‐reflective coatings for optical purposes but has also been 

investigated for use on photovoltaic cells. Commonly‐used materials include SiO2, with a 

comparatively low refractive index, and TiO2 with high refraction. The alternating layers are 

deposited by physical vapour deposition. 

Precautions in handling 

Because of the need to protect the coatings in these various types of highly‐functionalised glass, 

special care and training is required during its processing, handling and installation. 

Insulation materials 

The heating and lighting of buildings within the EU are responsible for the largest share of the total 

energy consumption (around 42%).  Although improved thermal insulation is available on the market 

and the number of “passive” houses is constantly growing the vast majority of European households 

still have poor energy efficiency. Thermal insulation is based on the combination of porous materials 

and the fairly low thermal conductivity of air whereby the free flow of the enclosed air is inhibited. 

The thickness of the insulating layer determines the overall performance which is measured in terms 

of thermal resistance or thermal transmittance. The density of the material is an important measure. 

The lower the density of the insulating material, the more air is enclosed and the lower the thermal 

transmittance will be.  

There are a number of novel thermal insulation materials based on nanomaterials which have very 

high specific insulative performance and which can achieve results equivalent or superior to 

traditional products but with substantially lower thickness. Examples include insulation materials 

based on so‐called aerogels and nano‐foams, vacuum insulation panels (VIPs) and phase change 

materials (PCMs). Because of the much reduced bulk of these materials they are highly suitable for 

renovation and retrofitting projects, as well as for new builds, and, as such, are likely to be used by 

many trainees working in these sectors as they are introduced to the wider market. 

Page 22: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

22 

Aerogels 

Aerogels, sometimes also called “frozen smoke”, have the lowest thermal conductivity of all 

materials. Aerogels are virtually made of air with a porosity of up to 99.5% and specific surface areas 

of more than 1000 m²/g. Silica aerogels are normally produced in a sol‐gel process. They are a very 

light but brittle material which is expensive to manufacture. This has prevented a broader use of 

aerogels so far. 

Vacuum insulated panels (VIPs) 

Vacuum insulation panels (VIPs) are heat insulating panels that are enclosed in a metallic foil and 

evacuated. The core material of these panels often consists of fumed silica which is a porous material 

with low thermal conductivity and the panels offer thermal conductivities as low as 0.004 W/mK at a 

typical pressure of 10mbar.  

 

Figure 8. Vacuum insulated panels 

VIPs offer a 5‐10 times better performance than traditional insulating material, but are more 

expensive to produce. VIPs can be used to reduce the overall insulation thickness and to improve the 

energy efficiency of buildings. 

Phase change materials 

Phase change materials (PCMs) are latent heat storage devices capable of storing energy in a phase 

change. Rooms equipped with phase change materials ensure a more constant room temperature. 

PCMs are able to store heat during the day when temperatures rise and to release heat at night 

when the room is cooling down. Wax enclosed in micro‐capsules melts at a certain temperature: the 

latent heat stored in the liquid wax is released upon solidification ensuring a pleasant indoor climate. 

The phase change temperature can be chosen adapting the PCM to a desired temperature. PCMs can 

contribute to ensure better comfort and towards reducing energy costs for air conditioning. 

 

Page 23: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

23 

Nanostructured self‐cleaning surfaces and applied nano‐ surface treatments 

Nanotechnology has been applied in a number of ways to produce surface that are self‐cleaning. 

Glass with an incorporated self‐cleaning layer has already been described above. Another strategy 

has to been to follow a biomimetic approach. The leaves of a number of plants, notably those of the 

lotus flower (Nelumbo spp.), exhibit a so‐called lotus effect or very high level of water repellence 

(superhydrophobicity). Dirt particles are picked up by water droplets and, due to a complex micro‐ 

and nanoscopic architecture of the leaf surface, this water simply rolls off in droplets and does not 

adhere to the surface (see figure 9).  

 

Figure 9. “Lotus effect” – water droplet on a leaf 

Although often referred to "nano", the lotus effect is rather based on micro‐ than on nanostructures. 

So‐called biomimetic approaches attempt to reproduce these naturally‐evolved characteristics in 

man‐made materials, typically by altering the surface topography or other surface architecture of the 

material. Such materials are already being used in aeronautical engineering to reduce contamination 

and drag of surfaces and can also be applied in other sectors.  

It is highly likely that the application of nanotechnology and nanomaterials will underpin future 

biomimetic approaches where designs evolved by nature are incorporated into man‐made products. 

An overview of these principles together with some practical examples may therefore be of value in 

the training of young workers working with such novel materials. 

Self‐cleaning properties can also be imparted to construction products by applying a variety of 

surface treatments based on the nanoscale properties of materials and it is likely that trainees will 

also work with or in proximity to these materials. Examples of commercialized products include 

transparent photocatalytic coatings based on titanium dioxide nanoparticles that can be used to coat 

masonry products, glass, tiles and facades to prevent the build‐up of dirt, particularly in urban 

environments.  

 

Page 24: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

24 

 

Sealants and adhesives 

A number of nanomaterials are already added to adhesives and sealants, including: 

– nanosilica: used as a thickening agent with thixotropic properties, i.e. it can become less viscous 

and flow under certain conditions 

– nanoscale precipitated calcium carbonate: control of rheology, stiffness, impact resistance and 

weatherability 

– silane‐based products for sealing and waterproofing woods 

– titanium dioxide: e.g. as a pigment 

Nano‐sealants typically contain silica or other ceramic nanoparticles, or a nanopolymer, and organise 

themselves to form a coating and bond with the surface after application. They can be used to seal a 

wide range of materials, including metals, glass, ceramics, electronics, synthetic and natural 

materials. If the surface is smooth and non‐absorbent, the nanoparticles combine with the surface, 

and repel any contaminants or liquids. If the treated surface is porous, the nanoparticles fill up the 

pores from the inside. Dirt, liquids or biological contaminants cannot then get into the surface and 

are simply repelled.  

Paints and applied protective coatings, e.g. wood treatments and anti‐corrosion products 

Nanoparticle‐containing paints 

Paints have become a major application area for nanomaterials. Nanoscale titanium dioxide has been 

used for many years as a pigment in paints and to provide better optical and covering properties and, 

more recently, a variety of specialist paints have been appearing on the market that utilise 

nanomaterials to provide a variety of useful characteristics. Examples include:  

– the use of nanosilver to produce antibacterial paints; 

– the use of nanosilica in paints that can help regulate room temperature and prevent heat loss; 

– the incorporation of ceramic nanoparticles to produce paints that are highly scratch‐resistant; 

– nanosilica‐based anti‐graffiti paints that prevent the graffiti layer sticking to the surface to be 

protected. 

Page 25: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

25 

 

Figure 10. A nano‐enabled antibacterial and anti‐mould paint 

A facade paint exhibiting a “lotus effect”, as described earlier, came onto the market as long ago as 

1999 and a facade binder based on nanocomposites was introduced in 2005. Silica nanoparticles are 

embedded in an organic polymer matrix and this nanocomposite binder offers an increased elasticity 

and durability for facade paints. 

Anti‐corrosion coatings 

Anti‐corrosion coatings are of importance where metals have to be protected in harsh environments, 

e.g. in offshore construction. There are many types of both metallic, e.g. galvanised, or painted, e.g. 

fusion‐bonded epoxy‐based, polypropylene‐based, anti‐corrosion coatings. Novel painted or sprayed 

products increasingly incorporate nanotechnology such as an inorganic nanoparticle matrix to 

provide a robust and durable surface. 

Coatings for wood 

Wood, unlike metals and concrete, is a biological material that presents its own set of characteristics 

and challenges in protection. It is, for example, heterogeneous, porous, biodegradable, sensitive to 

UV radiation and hygroscopic. Novel wood coatings and protection products may therefore 

incorporate a variety of nanomaterials to improve protection, e.g. aluminium oxide (hardness, 

abrasion‐ and scratch resistance), iron oxide (UV protection), silver (antimicrobial), titanium dioxide 

(UV protection, anti‐microbial), zinc oxide (UV protection, anti‐microbial) and silica (hardness, 

abrasion‐ and scratch‐resistance, and waterproofing). 

Nanocomposites and reinforced polymers 

A nanocomposite material is a solid combination of bulk matrix material such as a polymer and one 

or more nano‐dimensional phases. The components differ in their properties due to dissimilarities in 

structure and chemistry. Nanocomposites differ from conventional composite materials mainly due 

 

Page 26: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

26 

to the very high surface to volume ratio of the reinforcing (nanoscale) phase. This large surface area 

means that a relatively small amount of nanoscale reinforcement can have a significant effect on the 

macroscale properties of the composite. Nanocomposites are found widely in nature, for example in 

the structure of bone.  

 

Figure 11. Graphical representation of a polymer‐clay nanocomposite (Image: Osaka University 

The mechanical, electrical, thermal, optical, electrochemical and catalytic properties of the 

nanocomposite will differ from those of the component materials and can provide advantages over 

the parent materials such as strength, lightness, durability and other characteristics. Nanocomposites 

are widely used in the aeronautical, automotive and other engineering sectors and are beginning to 

make an impact in the construction sector.  

There are potentially thousands of combinations of matrix materials and nanofillers available with a 

very wide range of physical and mechanical properties. Examples of nanocomposite construction 

products include PVC nanocomposites used in windows and doors, and in large diameter piping and 

other applications requiring rigidity, nanocomposites incorporating nanoclays for fireproofing, 

cellulose based nanocomposites in insulation and asphalt‐based nanocomposite roofing. 

In view of the increasing use of nanocomposites, training needs are envisaged that provide an 

overview of the benefits, properties, selection, use and maintenance of these materials. 

Functionalised textiles 

Nanomaterials can be incorporated into textiles in a variety of ways to provide them with novel or 

advantageous properties and it is also possible to change the surface characteristics of textiles, or the 

fibres that they are made from, at the nanoscale by novel processes such as low‐temperature plasma 

treatments. Benefits that can be gained include imparting special self‐cleaning abilities (e.g. by 

altering the hydrophobicity and hydrophilicity of the fabric surface), durability and wear resistance 

 

Page 27: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

27 

characteristics (e.g. by incorporating silica nanoparticles), resistance to microorganisms (e.g. by light 

(e.g. by incorporating nanoscale titanium dioxide) and integrating sensors and electronics into 

textiles (for example by using carbon nanotubes or other conducting nanomaterials).  

 

Figure 12. Nano‐treated waterproof textile 

Construction textiles   

Construction textiles play an important role in the modernization of infrastructures, offering 

advantageous properties such as lightness, strength and resilience, resistance to creep, and 

degradation from chemicals, sunlight and pollutants. Examples where functionalized textiles may be 

used in construction and in facilities management include geotextiles, linings, carpets, tiles and 

interior furnishings and decoration. In some cases, sensors may also be incorporated into such 

materials (e.g. pressure sensors and security sensors in “smart buildings”).  

Their use can provide an aesthetic improvement for new and refurbished buildings, and new textile 

materials and innovative techniques for their deployment offer huge potential in the construction of 

eco‐friendly buildings that combine great design freedom with lightness and economy. 

Construction textiles are increasingly finding their way into architecture, both indoors and outdoors, 

for surface and hidden applications.  Besides tapestries and curtains, textiles are used in roofing, 

insulation and cladding; in sun, water, wind, fire and noise protection; in floor and concrete 

reinforcement; in UV and electromagnetic shielding; in diffused lighting using integrated LED and 

other electroluminescent materials. 

High strength, high modulus textile fabrics can be used as a replacement for more traditional 

materials. The mechanical properties of fabrics made, for example, with aramide or carbon and glass 

fibres, combined with cross‐linking resin systems to form a composite, provide civil engineers with a 

 

Page 28: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

28 

 

range of new materials that offer high strength and/or high stiffness in relation to their weight, and 

extreme flexibility in design and use. Textile reinforced concrete (TRC) is a composite material with 

performances comparable to steel reinforced concrete, giving lightweight structures with high 

durability and high quality surfaces. 

Innovative membranes made from composites, including textile reinforcement, can offer added 

value in both technical and aesthetic terms. New coatings and fillers, frequently derived from 

nanotechnology, are being tested, producing textile membranes combining acoustic and thermal 

insulation, efficient energy management, controlled light transmission and easy cleaning and 

decontamination qualities. Other applications include use in self‐healing concrete, localized crack 

repair, the reinforcement of critical walls, or the wrapping of existing columns, protection against 

earthquake or hurricanes, explosive incidents, or for military/defence purposes. 

New trends driven by forward‐thinking architects are providing new opportunities for textiles in 

construction. For example, an exterior envelope textile facade can be used to add a high profile, 

visible and dramatic effect with translucence, resembling glass. Other approaches are directed 

towards a building “skin” combining visible and performance features, like thermal control, water 

and dirt repellency, light transmission and acoustic absorption. 

Sun and weather protection as well as light and temperature regulation are the main requirements 

for textiles applications in sport facilities. ETFE fluoropolymer membranes allow 98% light 

transmission, water repellency, insulating properties controlling interior temperature and humidity 

of large sport buildings. Around 80% of newly built or refurbished stadiums worldwide have textile 

roofs and/or claddings. 

Inflatable buildings 

Another specialist application of textiles in architecture is inflatable buildings. High performance 

inflatable buildings are characterized by a unique design and construction giving them unrivalled 

portability and speed of deployment combined with the strength and rigidity of a metal framed 

structure able to withstand wind and snow loads. Each structure is typically comprised of two layers 

of a fire retardant composite textile connected together. The cavity formed between the layers is 

pressurized with air producing an extremely rigid structural element which allows large spans to be 

achieved whilst keeping the overall weight of the structure to a minimum.  The replacement of steel 

cables with textile belts and ropes for tensioning and load transfer can eliminate corrosion problems 

and facilitate installation. 

Geotextiles 

Geotextiles form part of a group of materials known as geosynthetics and are special fabrics made 

for use in geological situations. Geotextiles, usually in the form of woven, nonwoven and knit fabrics, 

Page 29: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

29 

 

have to meet  specific requirements such as strong mechanical properties, filtration ability and 

chemical resistance so that they can perform basic functions such as reinforcement, separation, 

drainage and filtration. They are flexible, extremely robust, easy to install, and generally allow 

solutions that are less expensive than traditional construction methods. The use of geotextiles can 

save money by considerably reducing construction times, material and maintenance costs. 

Geotextiles are designed for use in civil engineering applications such as erosion control, landslide, 

soil stabilization, road construction, embankments, dams, and retaining walls. Nonwoven geotextiles 

are often used as protection layers for geomembranes in containment structures (e.g. landfill, water 

storage, etc.) where it is required that the geotextile prevents localized stress cracking of the 

geomembrane by stone projections over the long‐term usage of the constructed facility. 

The most common fibre polymers used for the manufacture of geotextiles are polypropylene, 

polyethylene, polyester, and less frequently, polyamide. The use of more specialized materials is 

limited, because geotextiles have to be produced in large quantities and economically. 

Training needs 

While many nano‐enhanced textiles will require few special training needs, others, e.g. those with 

embedded sensors or electronics, may require specific knowledge and training in terms of handling, 

installation or maintenance. 

Energy capture systems 

Solar energy capture 

The use of material properties at the nanoscale underpins the latest generation of solar energy 

capture systems. There are a number of solar cell types using different technologies, many of which 

are increasingly at the nanoscale, such as semiconductor junctions, thin film technologies, quantum 

dots (a type of nanocrystalline semiconductor), silicon nanostructures, polymer cells and dye‐

sensitised cells, all of which work by converting solar energy photovoltaically (hence the alternative 

term “photovoltaic cell”). 

While early generation solar cells were limited in their efficiency, the latest “third generation” thin 

film devices, have a combination of a theoretical 30‐60% conversion efficiency, an ability to utilise 

sunlight at varying angles, and low cost materials and manufacturing processes. Other recent 

innovations include the development of flexible solar panels for buildings, portable rollable flexible 

solar panels that can be transported and stored for use. 

Page 30: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

30 

 

Figure 13. Flexible solar energy panel 

A further current area of research is into flexible energy‐capturing and converting coatings based on 

nanotechnologies, that can be applied to the exterior surfaces of buildings and which, with the 

simultaneous application of modern battery technologies, enable the building itself to act as its own 

“power station”.

In terms of training, there will be needs for basic knowledge about how different solar energy 

capture systems work, how they combine with smart processors to utilise and store energy in 

electrical form and, in many cases, export excess energy to the national grid. From a practical point 

of view, there are clear training needs for the installation and maintenance of such systems. 

Kinetic energy capture 

Various forms of kinetic energy capture exist, e.g. hydroelectric schemes, wind energy (both large 

scale and micro‐generation), and wave and tidal energy systems. Nanotechnology can have a 

facilitating role in all of these systems including the use of advanced manufacturing and construction 

materials, surface coatings, corrosion prevention, control systems, sensors and measurement 

systems. Examples include hydrophobic and self‐cleaning nanocoatings for wind turbine blades, high 

strength, lighter carbon nanotube‐containing composites for wind turbine blades, high‐performance 

paint protection systems, and high‐performance and high‐storage capacity fuel cells for the storage 

of captured energy. 

 

Page 31: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

31 

 

Figure 14. Pavegen energy‐generating tile 

Novel kinetic energy systems, such as the UK company Pavegen’s energy‐capturing floor tile, have 

also been recently developed that can be installed in areas where there is a high level of pedestrian 

activity in order to generate electricity which can be stored and used for a variety of applications. 

There are a diverse range of materials, products and processes employed in this sector that can be 

supported by nanotechnologies and hence a mix of generic and more specific training needs. 

Energy storage 

Fuel cells and energy storage 

In both solar and kinetic energy capture, there is a need for energy storage as the energy generation 

process may be discontinuous. Electrical energy is difficult to store in large quantities. One potential 

solution is to convert into and store this energy as hydrogen, which can then be used as a fuel source 

for a fuel cell. For example, with wind energy, in particular windy periods the excess energy 

generated by a wind farm could be converted into hydrogen and stored for use in a number of 

applications, or to power fuel cells. The use of nanomaterials (e.g. nanoscale metal hydrides) allows 

for smaller and lighter fuel cells and more efficient hydrogen storage.  

Nanomaterials can also improve fuel cell performance by increasing the conductivity of the 

electrolyte, the use of carbon nanotubes can produce battery electrodes that are ten times thinner 

and lighter and which have higher conductivity. In addition fuel cells require a catalyst such as 

platinum, which is very expensive.  By using platinum nanoparticles or nanoparticles of other suitable 

catalytic materials costs can be lowered.

Much of the research into battery design has been focused onto the use of nanomaterials to produce 

smaller and lighter batteries for use in an increasingly wide range of consumer and professional 

products. However, the use of nanomaterials can also improve the performance and storage capacity 

 

Page 32: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

32 

of traditional types of battery where size is less of a concern and the ability to store large quantities 

of energy is more important. 

Fuel cell and advanced battery technologies are likely to become more important with an increased 

focus on green energy production and young trainees or apprentices will be likely to encounter such 

technologies in a number of settings across construction, facilities management and utilities, in terms 

of manufacture, installation and maintenance. 

Low‐power lighting 

High‐efficiency OLED‐based lighting and displays 

 

Figure 15. Flexible OLED lighting panel 

Organic light‐emitting diodes (OLEDs) provide high‐contrast and low‐energy displays that are rapidly 

becoming the dominant technology for advanced electronic screens. They are already used in some 

cell phone and other smaller‐scale applications. Current state‐of‐the‐art OLEDs are produced using 

heavy‐metal doped glass in order to achieve high efficiency and brightness, which makes them 

expensive to manufacture, heavy, rigid and fragile.  Using a layer of tantalum oxide of thickness 

around 70 nanometres (nm) it is now possible to produce OLEDs on flexible plastic which opens up a 

whole new range of potential energy‐efficient, flexible and impact‐resistant lighting and display 

applications. Because of the potentially ubiquitous application of such systems it is likely that young 

trainees will encounter them in manufacturing, installation and maintenance situations. 

Flexible and printed electronics 

Various low‐cost printing methods can be used to create electrical circuits and devices on various 

substrates. Electrically‐conductive inks are deposited on the substrate, creating active or passive 

devices, such as thin film transistors or resistors. Printed electronics are expected to facilitate 

widespread, low‐cost electronics for a wide range of applications such as flexible displays and smart 

 

Page 33: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

33 

labels. In a similar way to OLEDs, the application of nanotechnologies is underpinning the 

development of printed and flexible electronics.   

Conductive inks may be inorganic, containing dispersions of inorganic nanoparticles such as silver, 

gold or copper, or novel organic conjugated polymers with conducting, semiconducting, 

electroluminescent, photovoltaic and other properties.  

Due to the potentially widespread application of printed electronics, trainees are likely to be involved 

in their manufacture, installation and use. 

Water treatment and site remediation 

 

 

 

 

 

Case study 

Veolia Water, a major water supplier in the UK, uses nanofiltration technology to treat drinking water at its Méry‐sur‐

Oise treatment plant in France. It uses nanoscale FILMTECTM membranes supplied by a subsidiary of Dow Water 

Solutions (a subsidiary of The Dow Chemicals Company).   

The same  FILMTECTM technology has also been utilised at a desalination plant in Perth, Western Australia and enable 

cost effective desalination of 144 000 m3 of water per day (some 17% of Perth’s total water needs). 

The use of the FILMTECTM technology has reduced the cost of desalination to a level where it is now often an acceptable 

option. 

In the construction and utilities sectors, the remediation of groundwater contamination and other 

site remediation activities have become increasingly important in the UK due to the limited 

availability of sites and the need to comply with legislation. In Europe as a whole, over 20 000 sites 

require groundwater remediation.  

The traditional approach to remediation has been to use granular iron as a permeable reactive 

barrier but, with the application of nanotechnology, it is now possible to inject nano zero valent iron 

(nZVI) into the ground. nZVI has a massively increased surface area, reaction rates that are 25 to 30 

times faster than previous methods, and a much greater absorption capacity.  

Other benefits include reduction of treatment time and costs, reduction of exposure for workers and 

the environment, reduced equipment costs due to the in‐situ nature of the treatment, and effective 

treatment of a wide range of contaminants. 

Trainees in these sectors are likely to encounter these new types of nanomaterial‐based remediation 

treatment and there are potential training needs in both how these treatments work, methods and 

in health and safety aspects. 

 

 

Page 34: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

34 

Dust reduction technologies 

A variety of solutions are available for dust reduction which are of importance in construction, 

facilities management and utilities activities. A novel solution, based on nanotechnology, works by 

using an ecologically‐safe, biodegradable, liquid copolymer to stabilize and solidify soils or aggregates 

to help prevent erosion and suppress dust. Once applied to the soil or aggregate, the long 

nanoparticulate copolymer molecules coalesce forming bonds between the soil or aggregate 

particles and cross‐linking. As the water dissipates from the soil or aggregate, a durable and water 

resistant matrix of flexible solid‐mass is created. Once cured, the product becomes completely 

transparent, leaving the natural landscape appearing untouched. 

Trainees may be involved in the application of such systems and knowledge and training in how they 

work, and of health and safety aspects, is therefore appropriate. 

Pollution control, e.g. O3, CO, NOx, SO2, VOCs, particulate matter (PM) 

Despite a substantial decrease in many air pollutants since 1990, a significant proportion of the EU 

population live in cities where EU air quality limits, for the protection of human health, are exceeded. 

Air pollutants include: 

– ozone (O3) 

– particulate matter (PM1, PM2.5, PM10) 

– carbon monoxide (CO) 

– nitrogen oxides (NOx) 

– sulphur dioxide (SO2) 

– volatile organic compounds (VOC) 

 

Figure 16. Industrial pollution (Image: Rybson, www.sxc.hu) 

 

Page 35: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

35 

High levels of air pollutants can seriously affect those people with existing respiratory or cardiac 

diseases and so is a major public health issue. Coatings such as nanoscale titanium dioxide can help 

to break down these molecules through photocatalysis. Innovative façade materials with 

photocalaytic activity have been developed in recent years including anti‐soiling and anti‐staining 

paints and mortars incorporating titanium dioxide nanoparticles. 

Another recent development has been to coat concrete paving slabs in titanium oxide nanoparticles 

to help break down nitrogen oxides by catalysis in urban environments polluted by traffic. Carbon 

capture from the burning of fossil fuels can be reduced by the use of nanomembrane filters in 

scrubbing systems and these are reported to use much less energy than conventional capture 

systems. 

 

 

 

 

 

 

 

Case study 

Air Clean® nitrogen oxide‐reducing paving slabs, developed by FCN Betonelemente, are coated in TiO2  nanoparticles. 

Their effectiveness has been tested by the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME in 

Schmallenberg. 

Testing on a 230 m strip of road in Segrate area of Milan in Italy found an average 60% decrease in NOX 

concentrations compared to an untreated section. The slabs were also tested in Erfurt, Germany, to ascertain whether 

they would also work in regions with less natural sunshine. The Fraunhofer Institute scientists found that there was 

still a 20% reduction in NO2  and up to 38% reduction in NO using the optimised paving slabs. 

It is thought that this level of reduction in NOX could substantially improve urban air quality if such a product were 

deployed on a wider basis. 

Nanofiltration systems are also being increasingly used to remove a range of pollutants from drinking 

water. A trial using nanofiltration at a water plant in France proved very successful in terms of 

eliminating organic matter and pesticides and reducing the taste of chlorine (important to 

customers). The operating costs, in comparison to traditional methods, were lower than expected. 

Those trainees working in the facilities management utilities sectors are likely to encounter an 

increasing variety of nanomaterial‐ or nanotechnology‐based pollution control systems and 

knowledge of how they work and their installation and maintenance is therefore desirable. 

Biosensors 

Biosensors increasingly employ sensing surfaces based on the application of nanotechnologies or 

nanomaterials. A typical sensor comprises a sensing surface which may be based on a biological 

material, derivative or biomolecule, or an artificial biomimetic surface; a transducing system 

(electrochemical, optical, piezoelectric or other mode of operation) that converts the reaction 

between the analyte and the biosensor surface to a signal; and a means of processing the signal.  

 

Page 36: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

36 

 

Biosensors can be networked and distributed widely in the environment, can be used for a huge 

range of measurements or detection of a huge range of analytes, including pollutants, gases, 

indicators of air or water quality, in “smart homes” and in security applications (see below).  

Biosensors may also be incorporated into other systems. A recent example, now in development at 

Strathclyde University, is the use of aligned, conductive carbon nanotubes in a highly‐durable surface 

coating based on fly ash which could potentially be used in highly‐demanding applications such as 

bridge‐building and offshore construction as an indicator of early structural failure. This nano‐based 

system is expected to cost 1% of other existing solutions.  

Because of their ability to be used in a wide range of networked applications across many activities in 

construction, facilities management and energy and utilities operations, it is very likely that trainees 

will be involved in the installation, operation and maintenance of biosensor networks. Knowledge of 

their principles of operation will therefore be useful.  

Biosensors in safety and security applications 

Biosensors also increasingly feature as part of security and safety systems, e.g. for the detection of 

workplace contaminants and noxious compounds, monitoring air quality and in security screening 

systems, and as such, may be frequently encountered in construction and facilities management 

settings. 

Training needs 

In terms of training, all of the products and processes described above are likely to be encountered 

by trainees, apprentices and others in NVQ levels 1 to 4 training.  Some materials and products also 

have their own special needs and precautions in terms of preparation, application and maintenance.  

Page 37: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

37 

 

 

Technology Readiness Levels 

Many of the nanotechnology‐enabled products and materials described in the previous sections are 

already available on the open market. Others are at earlier stages of development, e.g. at proof of 

concept or prototype stage, or are in limited scale production, but may nevertheless be reasonably 

expected to become available in the near future.  

Indications of “technology readiness levels” (TRLs) are therefore provided in table 1 as a general 

guide to the stage of development and commercialisation of a range of nano‐enabled materials and 

products. 

Table 1. Technology Readiness Levels (TRLs) for some nano‐enabled technologies for construction 

  Technology Readiness Level (TRL)  

 Problem identified  but no solution  

 Principles under‐stood 

 Proof of concept reached 

 Realistic demonstr‐ation 

 System prototype 

 Limited scale product‐ion 

 Mass scale exploit‐ation 

 Nano‐concrete and nano‐cement  

             

 Nanocomposites  

             

 Nano‐functionalised textiles  

             

 Nano‐ adhesives and sealants  

             

 Nano‐containing paints & coatings  

             

 Nano‐enabled self‐cleaning glass  

             

 Nano‐ cleaning agents  

             

 Nano‐ insulation materials  

             

               

Page 38: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

38 

 

Nanoscale solar capture systems  

 Kinetic energy harvesting systems  

             

 Nano‐ energy storage systems  

             

 Low power (e.g. OLED) lighting  

             

 Printed/flexible microelectronics  

             

 Nano‐enabled site remediation  

             

 Dust reduction technologies  

             

 Nanoscale pollution control  

             

 Nano‐enabled biosensor systems  

             

 

Page 39: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

39 

 

Environmental impacts 

Global warming and its consequences 

Figures from the UK Department of Energy and Climate Change website26 state that: 

– the Earth’s surface has warmed by about 0.8°C since 1900 and by around 0.5°C since the 1970s; 

– the average rate of global warming over the period 1901 to 2010 was about 0.07 oC per decade; 

– more than 30 billion tonnes of CO2 are emitted globally each year by burning fossil fuels; 

– average global temperatures may rise between 1.1°C and 6.4°C above 1990 levels by the end of 

the current century. 

Furthermore the 2007 Fourth Assessment Report (AR4) of the Intergovernmental Panel on Climate 

Change (IPCC) concluded that it is very likely (with more than 90% probability) that most of the 

observed global warming since the mid‐20th century is due to the observed increase in human‐

caused greenhouse gas concentrations.27  Even if all greenhouse gas emissions were to stop now, the 

world is already “committed” to around 0.6 (+/‐ 0.3)°C of further warming. If no action is taken to 

reduce greenhouse gas emissions, temperatures will rise even further.  These temperature changes 

will not be uniform over the globe. Higher latitudes, particularly the Arctic, are likely to see larger 

temperature increases. 

As resultant changes occur, e.g. due the melting of the arctic ice cap, the average sea level could rise 

by 18 to 59 centimetres, or more, by the end of the century. This is not likely to be a uniform change 

around the world: in some regions, rates are up to several times the global mean rise, while in other 

regions sea levels are falling. Many low‐lying areas and many inhabited small islands are particularly 

vulnerable to sea‐level rise and millions of people living in these regions could be put at greater risk 

of flooding with some small islands could even become uninhabitable. 

Further likely changes include an increased frequency of extreme weather events such as heat waves 

and heavy rainfall throughout this century. Droughts may become more intense in some regions with 

the impacts of these changes likely to be worst in developing countries. These countries are often the 

most vulnerable and have the lowest capacity to adapt to a changing climate. 

Further likely consequences of climate change include: 

– loss of biodiversity as habitats are lost or change and species are unable to adapt; 

– acidification of the world’s oceans as CO2 levels rise; 

Page 40: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

40 

– decreases in the yield of major cereal crops in all the main areas of production resulting in an 

increased risk of hunger and malnutrition in the poorest regions of the world; 

– uncertainties in the availability of water for drinking and irrigation in some regions. Coupled with 

higher temperatures, this could lead to an increased frequency of droughts; 

– serious health implications for millions of people, particularly those with low ability to adapt to 

climate change, such as increases in malnutrition and consequent disorders; deaths, disease and 

injury due to heatwaves, floods, storms, fires and droughts; and altered distribution of infectious 

disease vectors. 

Several more recent scientific reports warn of the possibility of more abrupt climate change due to 

factors such as: 

– possible slowdown or disruption of the North Atlantic ocean conveyor (thermohaline) 

circulation (see figure 17); 

– changes in the carbon cycle; 

– further, rapid loss of sea ice, including melting of glaciers and the Greenland and West 

Antarctic ice sheets, leading to long‐term and irreversible sea level rise. 

While there are uncertainties attached these changes, the risks may become significant for global 

temperatures 2 to 3˚C or more above pre‐industrial levels. 

 

Figure 17. Thermohaline circulation 

The costs of climate change 

The Stern Report suggests the costs of climate change could be enormous.28  The report estimated 

that not taking action could cost from 5 to 20% of global gross domestic product (GDP) every year. In 

comparison, reducing emissions to avoid the worst impacts of climate change could cost around 

1% of global GDP each year. 

 

Page 41: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

41 

 

The contribution of the construction industry 

As stated in the introduction to the report, in the UK, the use of building accounts for about 50% of 

total CO2 emissions: construction itself contributes around another 7%. Together these activities use 

the most energy and create the highest CO2 emissions for an industry sector in the UK, together with 

other forms of pollution.  

Meeting the low carbon agenda 

“Green Deal” 

The UK Government’s Energy Act of 2011 includes provisions for the new “Green Deal”29, which is 

intended to reduce the cost of carbon emissions by revolutionising the energy efficiency of British 

buildings. 

The Green Deal introduces new, innovative financial mechanisms that eliminate the need to pay 

upfront for energy efficiency measures and instead provide reassurances that the cost of such 

measures can be covered by savings on electricity bills. 

Energy Company Obligation (ECO) Scheme 

A new obligation on energy companies will be integrate with the Green Deal, allowing supplier 

subsidies and green deal finance to come together for the benefit of the consumer. 

UK Green Building Council 

The UK Green Building Council is an organisation that campaigns for a sustainable built environment. 

It seeks to promote refurbishment, “zero carbon” for new buildings, sustainable project 

development, linking to international best practice, and “green skills” for the construction industry 

through education and training. It also seeks to influence government policy on sustainable 

development and in promoting green business. 

Challenges for the environment in the short, medium and long term 

Waste 

According to DEFRA, the quantity of waste sent to landfill from the construction industry in 2004 was 

about 100 million tonnes.30 This is more than three times the amount of domestic waste collection 

(28 million tonnes) and rose from about 70 million tonnes in 2000. Sustainably building proponents 

estimate that this is equivalent to one house being buried in the ground for every three built and that 

it is an important consideration when the embodied energy of a building is being calculated. 

Page 42: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

42 

 

Furthermore, increasing regulations concerning waste disposal from construction, including common 

products like gypsum plasterboard and mineral wool insulation which are now labelled as hazardous, 

sometimes necessitates special disposal. 

Environmental legislation 

A number of manufacturing sectors, including construction, have their own product‐specific 

legislation or regulations and these vary widely in the level of intervention by authorities and control 

of how materials are used in products. None of these regulations were specifically drafted with 

nanotechnology or nanomaterials in mind although some have since been reviewed in the light of 

the potential impact of nanotechnologies.  

Chemicals 

Europe 

Chemical substances are regulated in Europe by the 2007 Registration, Evaluation and Authorization 

of Chemicals (REACH) Regulation31. In 2008, the European Commission argued that, although there 

are no specific provisions in REACH referring to nanomaterials, the definition of a “chemical 

substance” covers nanomaterials and that the registration dossier should include data on the specific 

properties, classification and labelling of the nanomaterial together with any additional risk 

management measures.  

While companies are urged to use existing REACH guidelines the Commission, together with its 

Scientific Committee on Emerging and Newly‐Identified Health Risks (SCENIHR) and others, has 

pointed out that these may not be appropriate for assessing risks associated with nanomaterials. 

Mass threshold limits as set by REACH are also questioned as being appropriate for nanomaterials.  

While the REACH Regulation covers the regulation of chemicals in nanomaterial form, the position 

for companies in terms of registration, evaluation and authorization aspects still remains unclear at 

this stage.  Recommendations concerning implementation issues are also being made by national 

authorities on the basis of their ongoing experience. 

USA 

The US Toxic Substances Control Act (TCSA)32 requires manufacturers of new chemical substances to 

provide specific information to the US Environmental Protection Agency (EPA) for review prior to 

manufacturing or introducing them into commerce.  The EPA has the authority to review and 

regulate nanomaterials through a procedure called “significant new use rules” (SNURs). This is a 

notification asked of companies for significant new use of existing chemicals.  

Page 43: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

43 

 

Under SNURs, the EPA can require premarket notification similar to those required for new chemicals 

and can limit the uses of nanomaterials, limit their release to the environment, require workers to be 

protected, and ask for tests to generate health and environmental effects data. 

Electrical and Electronic Equipment 

The use of materials in electrical and electronic equipment is addressed by the Restriction of 

Hazardous Substances (RoHS) Directive.33 A revised text of the Directive was adopted on 27 May 

201134 and, whilst a widely‐debated ban on asbestos‐like long multi‐walled carbon nanotubes and 

nanosilver was not included, nanomaterials will, at the insistence of the European Parliament, come 

under future scrutiny as further scientific evidence becomes available, in line with parallel 

developments under REACH and the Directive on Waste Electrical and Electronic Equipment 

(WEEE)35. 

Managing risks and addressing health and safety issues 

Most of the issues arising in relation to the responsible development of nanotechnologies are 

common to any emerging technology. Nanotechnology is still, however, a relatively “young” 

technology and the most important current safety issues mainly concern the possible harmful effects 

of non‐degradable “free” engineered nanomaterials (i.e. nanomaterials that are not bound into a 

substrate but, rather, may be breathed in, ingested or otherwise be taken up into the body or pass 

into the environment).  

However, potentially revolutionary (and beneficial) applications of nanotechnology, sometimes using 

novel nanomaterials, are under development, and the need to address these during the training of 

young workers should already be anticipated. There are still many knowledge gaps in relation to 

nanomaterials, and important challenges to the governance of nanotechnologies include:  

- insufficient scientific knowledge about the characteristics and behaviour of some nanomaterials, 

including data on exposure and hazards; 

- lack of standardised definitions; 

- lack of standardized methodologies to manage environment, health and safety (EHS) issues;  

- difficulties for regulation to keep pace with scientific developments, the emergence of new 

products and applications, and increasing commercialisation of nanotechnologies;  

- lack of knowledge, in some cases, about how nanotechnologies and nano‐based are regulated; 

- limited exchange of information amongst various stakeholders along the value chain and beyond;  

Page 44: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

44 

 

- uncertainties, in some instances, about public acceptance, resulting from a lack of transparency 

about EHS and ethical legal and social issues (ELSI);  

- weaknesses in education concerning nanotechnologies. 

Further perspectives on hazards, risks and risk management 

Hazards, risks and risk management 

In addressing some of these questions, particularly with regard to training aspects, a distinction 

should be made between a hazard, a potential source of harm, and a risk, which is generally defined 

as the likelihood of harm occurring and, if so, the severity of the harm. There may, for example, be a 

greater risk involved in the use of materials containing free nanoparticles that in the use of a product 

where any nanomaterial is locked into the products. In addition, risks normally need to be assessed 

and, where appropriate, mitigated during the whole lifecycle of a product, from its inception, 

through manufacturing, to use, and ultimately to final disposal of that product at its end‐of‐life. 

In addition, all novel technological activities carry some element of risk (to health or to the 

environment) and, generally, a risk management process will balance the mitigation of such risks 

against the benefits of the material or product. These are elements that need to be addressed in any 

educational and training initiatives bearing in mind that the target group are likely to be involved in 

the handling and use of such materials and will require a basic understanding of these principles. 

Table 2 provides an overview of some of the benefits and potential risks of nano‐enabled materials 

and products that may be encountered in the construction, building services and related sectors. 

COSHH Regulations 

In the UK, the Control of Substances Hazardous to Health (COSHH) Regulations 2002 (as amended)36 

require employers to control substances that are hazardous to health and address aspects such as 

– finding out what the health hazards are in relation to a substance 

– determining possible routes of exposure to hazardous substances 

– deciding how to prevent harm to health (risk assessment) 

– providing control measures to reduce harm to health 

– making sure they are used 

– keeping all control measures in good working order 

– providing information, instruction and training for employees and others 

– providing monitoring and health surveillance in appropriate cases 

– planning for emergencies 

As for “traditional” materials, the Regulations also cover working with materials and products based 

on nanotechnology.

Page 45: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

45 

 

 

Table 2. Examples of benefits and risks for some nano‐enabled products used in construction 

Category  Nanomaterial  Products/Uses  Benefits  Risks 

Cleaning products  Titanium dioxide nanoparticles 

(sometimes in combination with nanoparticulate zinc oxide) 

Self‐cleaning surfaces and glass, window cleaning products, stain resistant textile coatings 

Improve ease of cleaning, reduce cleaning associated costs 

Incorporated within the textile fibres. 

Potential of nanomaterials to leach , e.g. from textiles 

  Colloidal micelles  Soaps and cleaners  Bio‐based and biodegradable 

No risks as naturally based substances. 

  Silver nanoparticles 

Antibacterial coatings for surfaces and textiles, antibacterial paint, cleaning and disinfection solutions, washing machines, and children’s toys/products. 

Improve hygiene levels and reduce infection rates particularly in high‐risk areas such as hospitals and schools. 

Potential risk if nanoparticles are unbound; evidence of aquatic toxicity.  Knowledge gaps remain regarding human toxicity. 

Transport   Silver nanoparticles 

Air filtration systems 

Significant reduction in viruses, bacteria and fungal spores, and odour concentrations. 

Potential risk if nanoparticles are unbound; evidence of aquatic toxicity.  Knowledge gaps remain regarding human toxicity. 

Page 46: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

46 

 

  Nanostructured composites and metals 

Aircraft bodies  Weight reduction leading to improved fuel efficiency and reduced emissions 

No risk 

  Nanostructured surfaces 

Coatings  Non‐toxic solutions to reduce fouling  

No risk 

  Copper oxide nanoparticles 

Antifouling paints  Reduction in fouling 

Evidence of toxicity to aquatic environment. 

  Cerium oxide nanoparticles 

Fuel additives  Reduces fuel consumption and harmful emissions. 

In a number of studies has been indicated as potentially harmful (lung and liver toxicity indicated in rat/mice studies) in their free particle form.  Uncertainties remain over form of nanoparticles on emission from vehicles. 

  Metal oxide nanoparticles 

Coatings for windows 

Improved anti‐fogging, abrasion resistance, and UV protection properties. 

Incorporated within coating so exposure potential is very low if applied according to instructions for use. 

Page 47: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

47 

 

Energy  Lithium titanate nanoparticles 

Batteries for use in laptops, electric bikes, and electric vehicles. 

Reduced charge time, longer lifetime and higher performance. 

Coated onto electrodes within the battery therefore very low risk of exposure. 

  Functionalised nanoparticles 

Wind turbine blade coatings 

Reduced surface friction and fungus formation to improve power output. 

Embedded within silicon matrix so exposure risk is very low. 

  Titanium dioxide nanoparticles 

Dye sensitised solar cells 

Improved efficiency and not dependent on the angle of light. 

Embedded within a film within the solar cell so exposure risk is very low. 

  Carbon nanotubes  Wind turbine blades, fuel cell electrodes 

Stronger and lighter blades for improved efficiency, thinner and  lighter electrodes with higher performance. 

Incorporated into a plastic resin, or coated onto component within fuel cell so exposure risk is very low. 

  Palladium nanoparticles 

Fuel cell catalyst  Reduced material cost and improved performance. 

Embedded in a matrix and confined in final product so very low exposure potential. 

  Metal hydride nanoparticles 

Hydrogen storage  Smaller and lighter storage solutions. 

 

Page 48: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

48 

 

Textiles  Silver nanoparticles 

Antibacterial textiles  

Reduce odour, prevent infection, and address fungal infections. 

Potential risk if nanoparticles are unbound or released during wear; evidence of aquatic toxicity.  Knowledge gaps remain regarding human toxicity. 

  Nanoclay  Fire‐resistant textiles 

Nanoclay‐based coating renders textiles fire‐resistant 

Applied to textile so risk is low. 

  Silica and metal nanoparticles 

Durable textiles and clothing 

Greater improved abrasion resistance and wear properties 

Applied to textile so risk is low. 

Construction  Silicon oxide aerogels  

Thermal insulation in buildings 

Improve energy efficiency of buildings. 

Not found to be toxic or carcinogenic; however, they are mechanical irritants with continued exposure. 

  Titanium dioxide nanoparticles 

Low emissivity windows or window coatings 

Reduce heat transfer through windows to allow for better building temperature control and reduced energy requirement. 

Incorporated within thin films or coatings.  Small risk of exposure if material is degraded. 

Page 49: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

49 

 

  Nanosilica, carbon nanotubes 

High performance concrete 

Improved strength and crack resistance. 

Historically a link to silicosis; however, nanomaterials will be incorporated within the concrete mix so the exposure potential is low.  The exposure potential may rise during demolition situations. 

  Silicon dioxide nanoparticles  

Scratch resistant coatings for floors and furniture 

Reduce wear and tear to extend lifetime. 

Incorporated within thin films or coatings.  Small risk of exposure if material is degraded. 

Electronics  Nanostructured gold thin film 

Displays  Size and weight reduction, reduced glare and low power consumption. 

 

  Nanoscale silver  Coatings for electronic equipment such as laptops 

Antibacterial action. 

Potential risk if nanoparticles are unbound; evidence of aquatic toxicity.  Knowledge gaps remain regarding human toxicity. 

Page 50: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

50 

 

  Carbon nanotubes  Transistors, Random Access Memory, display screens. 

Higher speed transistors, more memory storage, lower power consumption and costs, replace finite materials, and lightweight, bright and thin displays. 

Bound to surface or embedded within material within product so low risk of exposure. 

In their airborne free form concerns over asbestos‐like behaviour in lungs. 

  Nanowires  Electrodes for flat panel displays such as in ‘heads up’ car windscreen displays. 

Allows displays to be flexible and thinner than current technologies. 

Nanowires are bound to substrate material and therefore potential for exposure is very low. 

  Gold nanorods and nanoparticles 

Data storage  Potential to store 10TB on disc similar to DVD, increased flash memory storage. 

Bound to substrate material within product so exposure risk is very low. 

Security  Zinc oxide nanorods 

Gas sensors  High sensitivity and low cost production. 

 

  Carbon nanotubes  Sensors for toxic gases or fire, explosives detection 

Much higher sensitivity than existing technologies 

Bound and contained within sensor so exposure risk is low. 

In their airborne free form concerns over asbestos‐like behaviour in lungs. 

Page 51: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

51 

 

  Shear thickening fluids 

Body armour, helmets 

Flexible and easy to wear compared with existing bulky and uncomfort‐able protective clothing. 

 

Environmental monitoring & remediation 

Titanium dioxide nanoparticles 

Building coatings/paints for air pollution absorption,  

Reduce air pollutant levels particularly in urban areas. 

Bound within a matrix material so limited risk of exposure. 

  Nanostructured membranes 

Water filtration, desalination, and carbon capture. 

Improvement and provision of clean drinking water, and reduction in carbon emissions from fossil fuel power plants. 

No risk as contain no nanomaterials/nanoparticles 

  Nano zero valent iron (NZVI) 

Groundwater and soil remediation 

Improved performance, reduced treatment time and cost, in situ so reduced equipment costs, effective targeting against host of contaminants. 

Free particles but within a slurry, limited risk due to degradation of particles; however, potential impacts are unclear and bacterial toxicity has been suggested. 

  Nanoscale metals/metal oxides, carbon nanotubes, magnetic nanoparticles 

Wastewater remediation 

Much more efficient for removal of contaminants such as heavy metals, hormones, organic matter and nitrates. 

Free particles therefore potential for release into environment and human exposure. 

Page 52: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

52 

 

Facilitating the skills required to implement novel technologies 

Skills and training gaps in relation to nanotechnology and construction 

A recent Learning and Skill Improvement Service (LSIS) feasibility study on nanotechnologies and 

NVQ Level 1 to 3 training identified a number of potential training needs for the construction sector. 

These are summarised below in table 3. 

 Table 3: Summary of nanotechnology‐enabled products and possible training needs  

 Sector  

 Type of nanotechnology‐enabled product 

 Possible training needs 

Construction and related sectors 

Nano‐ concrete and cement 

Nanocomposites and reinforced polymers 

Self‐cleaning glass 

Self‐cleaning surface treatments 

Nano‐structured surfaces, e.g. for water repellence 

Insulation materials, e.g. aerogels and nanofoams 

Paints and other applied protective coatings, e.g. wood treatments, anti‐corrosion products and concrete coatings 

Fire protection products 

Sealants and adhesives 

Functionalised textiles 

Solar energy capture 

Kinetic energy capture 

Large‐scale building‐integrated energy capture and storage 

Fuel cells 

Energy storage 

High‐efficiency OLED‐based lighting and displays 

Flexible and printed electronics 

General note: There is a degree of overlap between the products and skills required in this sector and those in related sectors, e.g. the facilities and energy/utilities sectors. Therefore, there will probably be a core of training needs that are common to such related sectors, as well as products and processes. However there will be other training needs that are more sector‐specific. 

Core training needs 

- what is nanotechnology? 

- why nanotechnology improves the performance of these products 

- benefits over traditional products 

- working with nanomaterials ‐ what does the user need to know? 

- nanomaterials ‐ fixed in products or free? 

- how nanomaterials can get into the body and potential exposure routes 

- what are the risks, if any, in manufacture, use and disposal at end of life? 

- any preparatory treatments needed? 

- special precautions to be taken with each type of products 

- what to do in case of exposure to 

Page 53: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

53 

 

Site remediation products 

Dust reduction products 

Pollution control, e.g. e.g. O3, CO, NOx, SO2, VOCs, particulate matter (PM) 

Sensors 

Widely‐distributed and networked sensors as part of an integrated energy management  system 

Monitoring of structural integrity 

Security applications 

Cleaning agents 

Anti‐bacterial coatings and surface treatments 

Anti‐graffiti treatments 

materials or accidents 

- reporting on incidents or problems 

- applicable legislation and standards 

- the precautionary principle –  implications? 

Product‐ or site‐specific training needs 

- how to use the product effectively and safely 

- product safety sheets 

- specific product risks 

- specific precautions and safety measures 

Dividing above into class and on‐site training units 

One outcome of the LSIS feasibility study has been to recommend the creation of a “core module” 

addressing essential general aspects of nanotechnologies as indicated under the column “possible 

training needs” in the table above for NVQ levels 1 to 3. This core module, which has been 

formulated in the first instance for the construction, facilities management and energy/utilities 

sectors, would also be potentially useful for other industry sectors seeing the introduction of 

nanotechnology‐based materials and products. The draft module is attached for information in 

Appendix C. 

The LSIS feasibility study goes on also to recommend the possible creation of additional modules 

addressing particular nanotechnology‐based products or processes for individual specialist 

subsectors as further training gaps and needs are identified. 

Current teaching competencies  

Studies to date suggest that there is little detailed knowledge of nanotechnologies and 

nanomaterials outside of university level teaching despite the fact that apprentices, trainees and 

workers at NVQ levels 1 to 3 in the construction and related sectors are very likely to come into 

contact with a wide range of nanotechnology‐based materials or products in their working 

environment (see the list of nanotechnology‐containing products described earlier in this report). 

At an LSIS project reporting meeting on 4 July 2012 in Birmingham, discussions between the author 

of this report and a number of representatives of different UK Colleges of Further Education and 

skills councils concerning the LSIS feasibility study on nanotechnologies suggested that there was 

Page 54: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

54 

 

little existing knowledge of the impending impacts of nanotechnologies across a variety of sectors 

amongst trainers at NVQ levels 1 to 3.  

However, when alerted to examples of some of the current and emerging uses of nanotechnologies 

in manufacturing and in products, there was also enthusiasm for the development of basic learning 

and training tools both for trainers and trainees, and general support for the outcome of the LSIS 

project concerning nanotechnology and apprentice training materials in the construction, facilities 

management and energy/utilities sectors. 

The creation of new learning tools 

General 

There are already some excellent learning tools available for young people concerning climate 

change such as the Department for Energy and Climate Change’s “My 2050”, an interactive web‐

based resource where the young person can visualise the impact of a variety of different measures 

and solutions on a hypothetical outcome. 37 

There are also a number of emerging web‐based educational resources concerning 

nanotechnologies, including games, although there is still a notable absence of the topic from 

educational curricula at pre‐university level.  

The LSIS study revealed only one pre‐existing training module covering nanotechnologies, developed 

by Edexel aimed primarily at laboratory technicians at NVQ level 4. 

Existing learning tools for nanotechnologies to reduce climate change 

No specific learning resources concerning the application of nanotechnologies to reducing climate 

change, and to addressing the low‐carbon agenda, in relation to construction‐based activities have 

been identified below university level within this study and it is suggested, on the basis of the 

technologies identified in this report and discussions with industry and training professionals, that 

there are knowledge gaps in this area.  

Furthermore, there appears to be a mismatch between the emergence of such technologies onto the 

market, the UK Government’s conclusion in 2010 that around 35 000 additional advanced 

apprenticeships should be made available for 19‐30 year olds over the next two years to meet 

technical skills needs in advanced manufacturing sectors, and the availability of suitable training and 

learning materials and initiatives. 

 

Page 55: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

55 

 

A need for several levels of learning/training materials 

Employer feedback  

From the perspective of companies operating in these sectors, several key needs have emerged, 

namely: 

– information on novel construction products and processes, how they work and the principles 

underpinning their use, that can used by senior staff engaged in the design and specification 

of buildings; 

– case studies on the use of new materials and products: the construction and building services 

industries claim to be open to new materials and processes but, at the same time, are 

strongly customer‐focused and therefore depend on the availability of relevant data and 

information on new materials, products and processes, especially concerning their 

performance, benefits and safety , at a professional level before investing in their use; 

– for trainees at apprenticeship level, it is suggested that there is a need for basic information 

about new technologies, materials and products at a “in‐context” learning level, i.e. 

understanding the characteristics, properties and benefits of those materials and products at 

the level at which they may handle, install or maintain them and that are necessary for them 

to work safely and effectively with the products. A detailed understanding of the underlying 

science is seen as less important at this level. 

Online vs. written learning materials 

Amongst those contacted as part of this research, the majority expressed a preference for the 

development of web‐based learning materials. 

Developing new learning and training tools 

The development of several types of learning and training tools are therefore recommended, as 

detailed in the following sections. 

Proposals for learning and training resources concerning the application of 

nanotechnologies to reducing climate change and to addressing the low‐carbon agenda 

 “Core” nanotechnology training module at NVQ levels 1 to 3 

Those interviewed as part of this study supported the development of training materials for 

construction and related sector trainees that address emerging technologies at NVQ levels 1 to 3, as 

proposed in the recent LSIS feasibility study, and one outcome of that project will be the 

Page 56: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

56 

 

development of a core module addressing basic concepts and understanding, benefits and risks, 

health and safety aspects, and other important “horizontal” aspects of nanotechnology, 

nanomaterials and nanomaterial‐containing products that are common to a number of industry 

sectors and which could be incorporated into existing training programmes (see Appendix C). As 

outlined in the current study, emerging technologies such as nanotechnology underpin many new 

approaches that could support sustainable construction and help reduce CO2 emissions. Such 

sustainability aspects are referred to in the proposed core module and a draft version of module is 

attached to this report (Appendix B) for information. 

Specialist nanotechnology training modules 

The LSIS report further suggested that there may be scope to develop further training modules, 

possibly at NVQ levels 3 and 4, on more specific aspects of how nanotechnologies can contribute to 

specific industry sectors and to specialist products and solutions used in those sectors. Again, 

sustainability could form a key underlying element of the content of such modules. 

Online self‐learning materials 

Most of the organisations consulted expressed enthusiasm for the development of web‐based, self‐

learning materials. An internet search reveals little such material covering emerging technologies 

such as nanotechnologies as a support to sustainable construction and building services, especially at 

the level of training young people. 

A number of learning/training materials were, however, developed by the Institute of 

Nanotechnology for a 2010 initiative by Newham College of Further Education in relation to 

engagement with local SMEs across a number of sectors. These materials include slides for self‐

learning covering: 

– an introduction to nanotechnology 

– nanotechnology applications in construction 

– nanotechnology applications in cleaning and decorating 

– nanotechnology applications for the environment 

– nanotechnology applications in the energy sector 

It is proposed that these learning materials which are available as sets of self‐explanatory slides, 

which are pitched towards basic awareness of the technologies involved across a range of 

applications and which do not require any prior specialist knowledge, could be readily adapted and 

updated as a resource to support the Skills for Climate Change project with the agreement of the 

Institute of Nanotechnology and Newham College, and could be made available online through SFCC. 

Page 57: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

57 

 

“Discovery Lab Academy” 

Newham College of Further Education currently hosts and operates a resource called the “Discovery 

Lab”. The Discovery Lab was initially set up as a resource and space to showcase and demonstrate a 

range of passive and active radio frequency identification (RFID) and communications technologies. It 

has since been extended to showcase other emerging technologies, such as nanotechnology, and has 

a wide range of nanotechnology products on display that can be viewed and used in “hands‐on” 

practical exercises by students and other visitors. The concept has proved popular and the Discovery 

Lab has received many national and international visitors from the FE sector, including interest from 

Saudi Arabia, as well as local and visiting SMEs  and Newham’s own students. 

Newham College is keen to extend the Discovery Lab concept and is planning to establish a 

“Discovery Lab Academy” that is open to membership from other FE colleges and external bodies 

and which can provide a useful, practical learning resource.  

It is proposed that a future Discovery Lab Academy could also develop further practical resources, 

practical exercises and materials that could support the Skills for Climate Change Initiative is a way 

complementary to other proposed tools. 

“Training the trainers” courses 

The Institute of Nanotechnology has run a successful series of nanotechnology training courses since 

December 2007 across several sectors. More recently, the Institute of Nanotechnology and Newham 

College of Further Education collaborated, in February 2012, in presenting a one day training course 

at Newham entitled “The Smart Building of the Future” with attendees from the UK and Europe. The 

course addressed the application of nanotechnology and other emerging technologies to the 

construction sector and showcased a number of technologies aimed at energy capture, energy 

efficiency and smart materials. 

It is proposed that, on the basis of this experience, that similar courses, facilitated through Newham 

College and involving appropriate external experts as presenters, could be offered to those 

responsible for NVQ‐level training in colleges of further education to raise awareness of technologies 

aimed at environmentally‐sensitive construction and related technologies. 

Page 58: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

58 

 

 

References 

1. Department for Business Innovation and Skills (BIS), Policies, Construction, http://www.bis.gov.uk/policies/business‐

sectors/construction/ (accessed July 2012) 

2. Project on Emerging Nanotechnologies, Inventory of Consumer Products, March 2011,  

http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/updates/ (accessed July 2012) 

3. ObservatoryNano FP7 Project, General Sector Reports ‐  Construction ‐  Sustainability and Environment, 

http://www.observatorynano.eu/project/catalogue/2CO.SE/ (accessed July 2012) 

4. Lux Research. Nanomaterials State of the Market Q1 2009. New York, N.Y. Lux Research Inc. 

5. OECD/NNI International Symposium on Assessing the Economic Impact of Nanotechnology   

Background Paper 3: The Economic Contributions of Nanotechnology to Green and Sustainable Growth, 

http://search.oecd.org/officialdocuments/displaydocumentpdf/?cote=DSTI/STP/NANO(2012)14&docLanguage=En  

6. Teizer J, Venugopal M, Teizer W, and Felkl J (2012), Nanotechnology and its Impact on Construction: Bridging the Gap 

between Researchers and Industry Professionals, Journal of Construction Engineering and Management, 138(5), 594–604. 

7. Office for National Statistics, UK Standard Industrial Classification 2007, http://www.ons.gov.uk/ons/guide‐

method/classifications/current‐standard‐classifications/standard‐industrial‐classification/index.html  

8. UK Government, UK Nanotechnologies Strategy 2010, http://www.bis.gov.uk/assets/goscience/docs/u/10‐825‐uk‐

nanotechnologies‐strategy.pdf  

9. Department of Energy and Climate Change, Tackling Climate Change, Green Deal 

http://www.decc.gov.uk/en/content/cms/tackling/green_deal/green_deal.aspx 

10. Germany to create more apprenticeships in nanotechnology and biotechnology, The Times Higher Education Supplement,  7 

May 2004, http://www.timeshighereducation.co.uk/story.asp?storyCode=188572&sectioncode=26  

11. Swiss Nano Cube, Plattform für Wissen und Bildung zu Nanotechnologien, 2009, http://www.swissnanocube.ch/home/  

12. Office for National Statistics, Life Expectancies, http://www.statistics.gov.uk/hub/population/deaths/life‐expectancies/  

13. OECD, Help Wanted? Providing and Paying for Long‐Term Care, 2011, 

http://www.oecd.org/health/healthpoliciesanddata/helpwantedprovidingandpayingforlong‐termcare.htm  

14. Workshop on Nanotechnology for Cement and Concrete, US National Concrete Pavement Technology Center/US National 

Science Foundation, 2007, http://www.intrans.iastate.edu/cncs/nanotech‐wkshprpt.pdf  

15. Bax, L. (2010). Briefing No. 3: Construction – Nano‐enabled Insulation Materials. ObservatoryNANO.  

http://www.observatorynano.eu (accessed July, 2012) 

16. BCC Research,  Advanced Materials, Report AVM052B, (2009), http://www.bccresearch.com/report/aerogels‐avm052b.html 

(accessed July 2012) 

17. ObservatoryNano, General Sector Reports – Construction, Focus Report 2010, Adhesives and Sealants, 

http://www.observatorynano.eu/project/catalogue/2CO.FO/  (accessed July 2012) 

18. ObservatoryNano Briefing No. 30, March 2012, 

http://bwcv.es/assets/2012/4/19/ObservatoryNANO_Briefing_No_30_Nanocomposite_Materials.pdf (accessed July 2012) 

Page 59: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

59 

 

19. ObservatoryNano Briefing No. 33, March 2012, Nano‐enabled Textiles in Construction and Engineering, 

http://www.observatorynano.eu/project/filesystem/files/ObservatoryNANO%20Briefing%20No%2033%20Nano‐

Enabled%20Textiles%20in%20Construction.pdf (accessed July 2012) 

20. Lux Research, State of the Market Report: Nanotech's Impact On Energy And Environmental Technologies, June 2007, 

https://portal.luxresearchinc.com/research/report_excerpt/2799  

21. GBI Research, Energy Efficient Displays Technologies to 2020, June 2010, http://www.marketresearch.com/GBI‐Research‐

v3759/Energy‐Efficient‐Displays‐Technologies‐Organic‐2718778/ (accessed July 2012) 

22. IDTechEx, Printed, Organic & Flexible Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2012‐2022, 

http://www.idtechex.com/research/reports/printed‐organic‐and‐flexible‐electronics‐forecasts‐players‐and‐opportunities‐

2012‐2022‐000301.asp  

23. ObservatoryNANO Focus Report 2010, Nano zero valent iron – THE solution for water and soil remediation? 

http://www.observatorynano.eu/project/filesystem/files/nZVI_final_vsObservatory.pdf (accessed July 2012) 

24. Frost & Sullivan,  Analytical Review of World Biosensors Market, June 2010, http://www.giiresearch.com/report/fs121525‐

world‐biosensor.html  

25. British Standards Institution, PAS 136 Terminology for Nanomaterials, 2007, 

http://www.bsigroup.com/en/sectorsandservices/Forms/PAS‐136/Download‐PAS‐136/  

26. Department for Energy and Climate Change, 2012, 

http://www.decc.gov.uk/en/content/cms/tackling/explaining/explaining.aspx (accessed July 2012) 

27. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Fourth Assessment Report (AR4) 2007, 

https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/syr/en/contents.html  

28. Stern Review on the Economics of Climate Change, HM Treasury and Cabinet Office, 2006, 

http://webarchive.nationalarchives.gov.uk/+/http:/www.hm‐treasury.gov.uk/sternreview_index.htm   

29. Department of Energy and Climate Change, Green Deal, 2012 

http://www.decc.gov.uk/en/content/cms/tackling/green_deal/green_deal.aspx (accessed July 2012) 

30. Department for Environment, Food and Rural Affairs, UK Waste Data 2004‐2008, 

http://www.defra.gov.uk/statistics/environment/waste/wrfg01‐annsector/ (accessed July 2012) 

31. Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals Regulation (REACH), European Communities, 1 June 2007, 

http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/chemicals/documents/reach/index_en.htm  

32. Toxic Substances Control Act (TSCA), US Environmental Protection Agency, http://www.epa.gov/oecaagct/lsca.html  

33. Restriction of Hazardous Substances (RoHS) Directive, European Parliament and Council, 2002, http://eur‐

lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32002L0095:en:HTML  

34. Recast of ROHS Directive, 2011, http://eur‐lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2011:174:0088:0110:EN:PDF  

35. Directive 2012/19/EU of the European Parliament and of the Council of 4 July 2012 on waste electrical and electronic 

equipment (WEEE), Official Journal of the European Communities, L 197, Volume 55, 24 July 2012, http://eur‐

lex.europa.eu/JOHtml.do?uri=OJ:L:2012:197:SOM:EN:HTML  

36. Health & Safety Executive, Control of substances that are hazardous to health (COSHH), COSHH Basics 

http://www.hse.gov.uk/coshh/basics.htm  

37. Department for Energy and Climate Change, “My 2050”, http://my2050.decc.gov.uk/  

 

Page 60: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

60 

 

 

Page 61: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

61 

 

 

Appendix A      Skills for Climate Change – Example of Employer Questionnaire 

Name:              Company:         

Job role:             Date: 

                    Yes   No       Not 

sure 

1. Does your company have a policy on reducing environmental impact?    □  □  □ 

2. Are you aware of any nanotechnology‐based products used in your sector?   □  □  □ 

3. If so, does your company use them in its professional activities?      □  □  □ 

4. Do you know how novel technologies, e.g. nanotechnologies (or other),                                                                          

can help reduce environmental damage?          □  □  □ 

5. Does your company recruit and train young people at NVQ levels 1 to 3?    □  □  □ 

6. If so, do these young people go through an apprenticeship scheme?    □  □  □ 

7. Does their training include elements on the application of novel technologies?  □  □  □ 

8. Would new learning materials on technologies for “green building” be useful?  □  □  □ 

9. If so, in what form? 

9.1  “Core” NVQ‐level training module(s)?          □  □  □ 9.2  Specialist NVQ‐level training modules?          □  □  □ 9.3  Written learning materials?            □  □  □ 9.4  Online self‐study materials?            □  □  □ 

10. If developed, would your company encourage trainees to use such materials?  □  □  □ 

11. Do you think the UK should develop such training: 

11.1   To help meet its environmental and “low carbon footprint” targets?    □  □  □ 

11.2  To be competitive with other countries?          □  □  □ 

12. Do you have any further comments or questions?        □  □  □ 

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________ 

Page 62: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

62 

 

Appendix B    Responses to questionnaire 

Companies and organisations contacted 

Most of the questionnaires were completed by telephone discussion, although several companies 

refused to answer by telephone and were sent the questionnaire by email. The following companies 

and organisations were contacted: 

– Federation of Master Builders (construction industry association representing several 

thousand small and medium‐sized building companies) 

– Home Builders Federation (construction industry association – it’s building company 

members account for around 80% of new homes built) 

– O’Keefe Construction 

– United House 

– BAM Construction 

– Interserve 

– Laxcon Construction 

– Cliden Construction 

– Avondale 

– Oakside Construction 

– Jacobs Construction 

– Barratt 

– Balfour Beatty 

– Abbotts Building Contractors 

– Incommunities 

Feedback 

The following graphics summarise the feedback received. In some cases comments were received 

and are appended against the relevant question. 

 

Page 63: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

63 

1. Does your company have a policy on reducing environmental impact? 

   

Comment. All the companies and organisations 

contacted stated they had a policy on reducing 

their, or their members’, environmental impact. 

2. Are you aware of any nanotechnology‐based products used in your sector? 

 

Comment. Where “yes”, for more familiar 

nanomaterial‐containing products such as 

paints. One company felt that the industry 

needed to grasp such novel technologies in 

order to meet new challenges. 

3. If so, does your company use them in its professional activities? 

 

Comment. Some companies stated they did not 

know of any nanotechnology‐based products 

but, when given some examples, stated that they 

had handled such products, e.g. lightweight 

concrete, self‐cleaning glass, specialist paints. 

 

4. Do you know how novel technologies, e.g. nanotechnologies (or other),                                                                          

can help reduce environmental damage? 

 

Comment. Some companies were aware of 

some new products that could reduce 

environmental impacts but did not necessarily 

link these with nanotechnology. Case studies 

of successful applications were felt to be 

useful. 

 

 

Page 64: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

64 

5. Does your company recruit and train young people at NVQ levels 1 to 3? 

 

Comment. Some companies only take a few 

apprentices because they recruit mainly 

graduates and some others do not take on 

apprentices themselves but are aware that 

their subcontractors do so and have an interest 

that they are properly trained. 

 

6. If so, do these young people go through an apprenticeship scheme 

 

7. Does their training include elements on the application of novel technologies? 

 

8. Would new learning materials on technologies for “green building” be useful? 

 

Comment. A major industry federation felt that 

additional learning materials for “green building” 

would be useful to complement its own initiatives 

on sustainable building. Such materials would be 

useful at both senior and lower levels: the latter 

especially should be “in context” to the roles young 

trainees have. Case studies were also deemed very 

useful.  

 

 

Page 65: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

65 

9.1   If so, as (a) “Core” NVQ‐level training module(s)? 

 

Comment. Most respondents felt that this was an 

excellent initiative with one company hoping that it 

would be available “as soon as possible”. 

9.2   If so, as specialist NVQ‐level training modules? 

 

9.3   If so, as written learning materials? 

 

Comment. Some respondents felt that it was 

important to retain a level of formality in training. 

9.4   If so, as online self‐study materials? 

 

Comment. One respondent stressed the value of 

having CPD‐accredited training in novel 

construction technologies available for its staff. 

 

 

Page 66: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

66 

10. If developed, would your company encourage trainees to use such materials? 

 

11.1  Do you think the UK should develop such training to help meet its environmental and “low carbon   

footprint” targets? 

 

11.2  Do you think the UK should develop such training to be competitive with other countries?   

 

12. Do you have any further comments or questions? 

(See comments as appended against specific questions above) 

 

Page 67: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

67 

 

 

Appendix C    Draft “core” NVQ Level 3 module on nanotechnologies 

Note. As developed within LSIS Nanotechnology Feasibility Study (July 2012) 

Title:   

Level:  3 

Credit Value:   

Learning outcomes 

The learner will [‘know, understand or be able to do’ as a result of completing the unit] 

Assessment Criteria 

The learner can [The means by which the achievement of the learning outcomes are measured and through which the unit grade is derived 

1.  Understand the concept of Nano‐science  

Describe the concept and history of nanoscience  

Describe the terms; nanoscience, nanoscale, and nanotechnologies 

 

Explain the importance of nanotechnology for the future 

 

2. Understand the Health & Safety Aspects of 

Nanotechnologies 

2.1 Describe Rules & Regulations related to the manufacture of nano‐based products  2.2 Describe how to safely handle nano‐based products  2.3 Describe safe storage of nano‐based products  2.4 Describe safe disposal of nano‐based products 

 

3. Understand the benefits of nano‐based technologies 

3.1 Describe five benefits of nano‐based products  3.2 Describe how nano‐based products can enhance five different types of existing materials  3.3 Explain the difference between the generations of nano‐based products  3.4 Describe any environmental benefits of nano‐based technologies 

  

4.  4.1 Give three examples of different nano‐based products 

Page 68: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

68 

 

Know commercially available nano‐based products available in the consumer market 

 

available to the average consumer  4.2 Explain how nano‐science has enhanced these products  4.3 Explain the benefits and/ or dangers of these products to the consumer  

5. Know nano‐based technologies and applications of 

these technologies in your industry sector  

5.1 Give three examples of nano‐based products available in your industry sector  5.2 Explain how nano‐science has enhanced these products  5.3 Explain the benefits of the three examples given within your industry sector 

 

Additional information about the unit 

Unit purpose and aim(s) 

 This unit gives learners the opportunity to extend their knowledge of an area of science that is enabling new technologies in their industry sector, their properties and applications. 

Unit expiry date   

Details of the relationship between the unit and relevant national occupational standards or other professional standards or curricula (if appropriate)  

 

Assessment requirements or guidance specified by a sector or regulatory body (if appropriate) 

 

 

Support for the unit from a sector skills council or other appropriate body (if required) 

 

Location of the unit within the subject/sector classification system 

 

Name of the organisation submitting the unit  Pearson 

Availability for use   

Unit available from   

Unit guided learning hours  60 

Delivery and assessment guidance  

This is a brief summary of any specific requirements necessary for the unit 

Delivery 

Page 69: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

69 

 

Ideally, this unit would be delivered using a combination of theory, video content, practical demonstrations, hands‐

on lab experiments, and investigative assignments. 

To enable learners to understand the concept of nano‐science and nanotechnologies through theory and video 

content. 

To enable learners to understand through practical demonstrations and hand‐on lab experiments; 

Through investigative assignments, enable learners to understand and identify nano‐based products available for 

their industry sector, the benefits of these products and their application within their industry sector. 

Tutors should ensure that learners are aware of any hazards and safe working practices associated with the use of 

nano‐based products during laboratory or practical sessions. 

The learning outcomes are designed to be integrated acres a range of assignments.  For employed learners, 

assignments could be designed to reflect aspects of their work.  The use of industrial visits can also be used to 

enhance learners’ knowledge of processes and implementation carried out by companies in their industry sector. 

Centres should have access to an appropriate range of specialist equipment and products for lab experiments.  

Learners will require instruction in the safe handling and storage of products and equipment. 

Additional notes on possible content: 

1.1 History and concepts of nanotechnology 

– early theoretical predictions of the possibility of working at the nanoscale, e.g. Richard Feynmann “There's 

Plenty of Room at the Bottom” (1959) 

– first use of the term “nanotechnology” (Norio Taniguchi, Tokyo, 1974) 

– Eric Drexler “Machines of Creation” (1986)(Note. Some of the predictions therein also contributed to some 

later fears of potential uses/misuses of nanotechnology). 

1.2 Terms and definitions 

– BSI PAS 71 and PAS 131 to136 provide definitions of all three terms plus other useful nanotechnology definitions for different sectors 

– another useful definition describes nanotechnology as “intentionally altering or manipulating materials or structures at the nanoscale (1nm to +/‐ 100nm) to give new properties. These novel properties at the nanoscale can frequently be harnessed to provide increased functionality and performance to materials and products”. This definition has the advantage of conveying nanotechnology as a purposeful activity that seeks to achieve a useful result. 

1.3 Importance of nanotechnology 

– nanotechnology is an example of an “enabling technology” that can complement existing technologies by providing a huge range of new materials and products with enhanced and societally useful properties 

– can contribute to innovation in an incremental, ground‐breaking and sometimes “disruptive” way (description of a “disruptive technology” would also be useful here) 

Page 70: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

70 

 

– can contribute to greater efficiency of processes because of high reactivity of materials at the nanoscale 

– can contribute to a reduction in the use of some raw materials, e.g. cement 

– can contribute strongly towards greater sustainability and reduced environmental impact 

2.1   Applicable Regulations 

– sector‐specific product legislation and Directives, e.g. Medicinal Products, Medical Devices, Construction Products, Food Safety, Packaging, REACH (chemicals), etc. 

– Control of Substances Hazardous to Health (COSHH) Regulations 

– Chemical Safety Data Sheets 

– guidance in support of legislation 

– industry guidelines for good practice and responsible care 

– EU and UK initiatives on responsible innovation 

2.2   Safe handling 

– manufacturers' instructions for use 

– Safety Data Sheets 

– applicable risk management procedures 

– HSE guidance 

– where appropriate personal protective equipment and specific work guidelines 

2.3   Safe storage 

– specific guidelines for hazardous materials (e.g. COSHH) 

– manufacturers' instructions for use 

– Safety Data Sheets 

2.4   Safe disposal 

– specific risks at end‐of‐life or disposal (e.g. from lifecycle analysis or from product‐specific regulations) 

– recommendations for safe disposal, e.g. from manufacturers or Safety Data Sheets 

3.1   Benefits of nano‐based products 

– specific examples should be chosen that are relevant to the sector the trainee is studying in 

– examples could include the following themes:  

– improvement in the efficiency of chemical processes due to small particle size, increased surface area available and greater reactivity 

– reduction in the amounts of material needed due to greater reactivity 

– more efficient products using less energy and resources 

– highly‐functionalised materials and surfaces, e.g. for use in membranes, as highly‐specific detecting elements in sensors or biosensors, to impart additional functionality, e.g. self‐cleaning or hard‐wearing surfaces, etc. 

Page 71: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

71 

 

– improvements to existing products, e.g. concrete, sunscreens, paints, cleaning agents, sports goods, packaging, medicines, etc. 

– the development of novel classes of products, e.g. high‐performance nanocomposites, nanofoams and aerogels, phase‐change materials, nanoscale drug carriers, etc. 

– contributions towards environmental improvement and combating climate change, e.g. novel low‐energy materials, energy capture (e.g. third generation flexible solar panels), printed electronics, low‐power OLED lighting, etc. 

3.2   Enhancements due to nanotechnology 

– specific examples should be chosen that are relevant to the sector the trainee is studying in 

– examples could include the following themes:  

– improving performance/efficiency, e.g. insulating materials, coatings, etc. 

– improving carbon footprint/environmental performance/use of energy 

– decreasing the amount of the material required, e.g. cement and concrete, highly targeted drugs, etc. 

– avoiding the use of hazardous or expensive materials, e.g. catalysts 

– improving durability and life, e.g. diamond‐like coatings, nano‐treated textiles 

3.3   Generations of nanotechnology products 

– broadly, nanotechnologies can be categorised into several “generations” with increasing complexity such as: 

– “passive” nanomaterials: including simple nanoparticles and materials containing them such as coatings and nanocomposites, imaging agents, paints, etc. 

– “active” nanomaterials: e.g. those that can respond to an energy input or which are designed to interface with biological systems, e.g. some drug delivery systems that release a drug under certain physical or chemical conditions, scaffolds for regenerative medicine, nanoscale electronic systems, etc. 

– “self‐assembled” or “programmed” nanosystems, e.g. nanomaterials that can form templates for the assembly of other nanomaterials, self‐assembling bio‐nanosystems, biomimetic nanosystems. There are relatively few commercial examples of these at present but there is research interest, e.g. in materials that could potentially be used in the regeneration of tissues or organ function (bone is an example of a natural self‐assembled bio‐nanosystem) and biomaterials assembled with the help of DNA templates. 

3.4   Environmental benefits due to nanotechnology 

Could include the following direct and indirect contributions: 

– reduced use of materials, e.g. cement production accounts for some 5% of global CO2 emissions. For example nanosilica‐containing concrete can substantially reduce the use of such materials 

– reduction in energy usage, e.g. nano‐based insulation materials, low‐heat transfer paints 

– enhancement of sustainable energy‐capturing systems, e.g. third generation photovoltaic cells, micro‐scale wind and kinetic energy capture 

– improvement to fuel cells, batteries and other energy storage systems 

– remediation of contaminated sites and groundwater, e.g. through use of nano zero valent iron 

Page 72: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

72 

 

– nanomembranes for water filtration and desalination systems 

– nanomaterials and filters for CO2 capture 

– reduction in maintenance, e.g. self‐cleaning glass and other surfaces 

– nanomaterial additives to aid fuel efficiency 

– reduction in the use of current hazardous materials 

– treatments to improve the life of materials, e.g. nanoscale wood treatments and anti‐corrosion coatings for metals 

– pollution‐reducing materials, e.g. building products that can photocatalyse nitrogen oxides in the urban environment 

4.1  Nano‐based consumer products 

– a wide range of possible and easily‐obtainable examples available in areas such as  

– cosmetics (sunscreens, liposomal carriers) 

– sports goods (carbon nanotubes in tennis and squash racquets and golf club shafts, quantum‐tunnelling composites as switches for personal entertainment and communications in skiwear), water‐resistant coatings for sports shoes) 

– textiles (enhanced‐wear, stain‐ and water‐resistant fabrics, nanosilver‐treated antibacterial materials) 

– household paints 

– products for automotive paint and screen treatment 

4.2  Nano‐enhancement of consumer products 

– a variety of possible modes of action depending on material or product. Trainee should investigate these. 

4.3 Benefits and/or risks for the consumer 

– the trainee should investigate the benefits and possible risks in the context of the examples chosen. The following are themes that could be explored and which could be useful in explaining risk and benefit: 

– are there free nanomaterials in the product or are they bound into the product and therefore unlikely to come into contact with the body or environment? 

– at what stage(s) in the lifecycle of the product are there like to be risks of exposure? 

– is there a hazard present (possibility of harm to people or to the environment)? 

– what is the likelihood of harm occurring and, if so, how serious are the likely consequences (risk)? 

– have efforts been made to reduce the risk? 

– how can the benefit be assessed? 

– has a balance between risks and benefits been made and, if so, what are the criteria for the acceptability of any risks?  

5.   Sector‐based, nanotechnology‐enhanced products 

– to be chosen in the context of the sector in which the trainee will be working. The lists in 1.1 to 4.3 above can form a starting point. 

Page 73: SFCC Report - The use of nano and other emerging technologies

  

73