Натуральна деревина та метал були важливими будівельними матеріалами для людей протягом тисячоліть. Синтетичні полімери, які ми називаємо пластмасами, – це нещодавній винахід, який набув бурхливого розвитку у 20 столітті.
Як метали, так і пластмаси мають властивості, які добре підходять для промислового та комерційного використання. Метали міцні, жорсткі та, як правило, стійкі до впливу повітря, води, тепла та постійного навантаження. Однак для їх виробництва та вдосконалення також потрібно більше ресурсів (що означає, що вони дорожчі). Пластик виконує деякі функції металу, водночас потребуючи меншої маси та дуже дешевий у виробництві. Його властивості можна налаштувати майже для будь-якого використання. Однак дешеві комерційні пластмаси є жахливими конструкційними матеріалами: пластикова побутова техніка — це не найкраща річ, і ніхто не хоче жити в пластиковому будинку. Крім того, їх часто виготовляють з викопного палива.
У деяких випадках натуральна деревина може конкурувати з металами та пластиком. Більшість сімейних будинків побудовані на дерев'яному каркасі. Проблема полягає в тому, що натуральна деревина занадто м'яка та занадто легко пошкоджується водою, щоб замінити пластик та метал більшу частину часу. Нещодавня стаття, опублікована в журналі Matter, досліджує створення загартованого деревного матеріалу, який долає ці обмеження. Це дослідження завершилося створенням дерев'яних ножів та цвяхів. Наскільки хороший дерев'яний ніж і чи будете ви його використовувати найближчим часом?
Волокниста структура деревини складається приблизно на 50% з целюлози, природного полімеру з теоретично хорошими властивостями міцності. Решта половини деревної структури складається переважно з лігніну та геміцелюлози. У той час як целюлоза утворює довгі, міцні волокна, які забезпечують деревині основу її природної міцності, геміцелюлоза має мало цілісної структури і тому ніяк не сприяє міцності деревини. Лігнін заповнює порожнечі між целюлозними волокнами та виконує корисні завдання для живої деревини. Але для мети людини ущільнювати деревину та міцніше зв'язувати її целюлозні волокна разом, лігнін став перешкодою.
У цьому дослідженні натуральну деревину перетворювали на загартовану деревину (ЗД) у чотири етапи. Спочатку деревину кип'ятять у гідроксиді натрію та сульфаті натрію, щоб видалити частину геміцелюлози та лігніну. Після цієї хімічної обробки деревина стає щільнішою шляхом пресування її в пресі протягом кількох годин за кімнатної температури. Це зменшує природні щілини або пори в деревині та посилює хімічний зв'язок між сусідніми целюлозними волокнами. Далі деревину піддають тиску при температурі 105°C (221°F) ще протягом кількох годин для завершення ущільнення, а потім сушать. Нарешті, деревину занурюють у мінеральну олію на 48 годин, щоб зробити готовий виріб водонепроникним.
Однією з механічних властивостей конструкційного матеріалу є твердість при вдавлюванні, яка є мірою його здатності чинити опір деформації при стисканні силою. Алмаз твердіший за сталь, твердіший за золото, твердіший за дерево та твердіший за пінопласт. Серед багатьох інженерних випробувань, що використовуються для визначення твердості, таких як твердість за шкалою Мооса, що використовується в гемології, тест Брінелля є одним з них. Його концепція проста: кульковий підшипник з твердого металу вдавлюється в випробувану поверхню з певною силою. Виміряйте діаметр круглого вдавлення, створеного кулькою. Значення твердості за Брінеллем розраховується за допомогою математичної формули; грубо кажучи, чим більший отвір, в який потрапляє кулька, тим м'якший матеріал. У цьому випробуванні HW у 23 рази твердіший за натуральну деревину.
Більшість необробленої натуральної деревини поглинає воду. Це може розширити деревину та зрештою зруйнувати її структурні властивості. Автори використовували дводенне мінеральне замочування, щоб підвищити водостійкість деревини, зробивши її більш гідрофобною («боїться води»). Тест на гідрофобність передбачає розміщення краплі води на поверхні. Чим гідрофобніша поверхня, тим більш сферичними стають краплі води. Гідрофільна («вологолюбна») поверхня, з іншого боку, розподіляє краплі (і згодом легше поглинає воду). Таким чином, мінеральне замочування не тільки значно підвищує гідрофобність деревини, але й запобігає поглинанню вологи деревиною.
У деяких інженерних тестах ножі з твердої сталі показали дещо кращі результати, ніж металеві ножі. Автори стверджують, що ніж з твердої сталі приблизно втричі гостріший за комерційно доступний ніж. Однак у цьому цікавому результаті є одне застереження. Дослідники порівнюють столові ножі, або те, що ми можемо назвати ножами для масла. Вони не призначені для того, щоб бути особливо гострими. Автори показують відео, на якому їхній ніж ріже стейк, але досить сильна доросла людина, ймовірно, могла б різати той самий стейк тупою стороною металевої виделки, і ніж для стейку працював би набагато краще.
А як щодо цвяхів? Один твердосплавний цвях, очевидно, можна легко забити в стопку з трьох дощок, хоча це не так детально, оскільки це відносно легко порівняно із залізними цвяхами. Дерев'яні кілочки можуть утримувати дошки разом, протистоячи силі, яка може їх розірвати, приблизно з такою ж міцністю, як і залізні кілочки. Однак у їхніх випробуваннях дошки в обох випадках вийшли з ладу раніше, ніж вийшов з ладу будь-який із цвяхів, тому міцніші цвяхи не були оголені.
Чи кращі цвяхи HW в інших аспектах? Дерев'яні кілочки легші, але вага конструкції не залежить головним чином від маси кілочків, які її тримають разом. Дерев'яні кілочки не іржавіють. Однак вони не будуть водонепроникними або біорозкладними.
Немає сумнівів, що автор розробив процес, який дозволяє зробити деревину міцнішою за натуральну. Однак корисність металовиробів для будь-якої конкретної роботи потребує подальшого вивчення. Чи може вона бути такою ж дешевою та безресурсоємною, як пластик? Чи може вона конкурувати з міцнішими, привабливішими, нескінченно багаторазовими металевими предметами? Їхні дослідження піднімають цікаві питання. Поточні інженерні розробки (і, зрештою, ринок) дадуть на них відповіді.
Час публікації: 13 квітня 2022 р.
