Натуральна деревина та метал були основними будівельними матеріалами для людини протягом тисячоліть. Синтетичні полімери, які ми називаємо пластиками, є недавнім винаходом, який вибухнув у 20 столітті.
І метали, і пластмаси мають властивості, які добре підходять для промислового та комерційного використання. Метали міцні, жорсткі та загалом стійкі до повітря, води, тепла та постійного навантаження. Однак вони також потребують більше ресурсів (а значить, дорожче), щоб виробляти та покращувати свою продукцію. Пластик виконує деякі функції металу, але потребує меншої маси та є дуже дешевим у виробництві. Їх властивості можна налаштувати майже для будь-якого використання. Однак із дешевого комерційного пластику виходять жахливі конструкційні матеріали: пластикові прилади не є добре, і ніхто не хоче жити в пластиковому будинку. Крім того, вони часто переробляються з викопного палива.
У деяких сферах застосування натуральна деревина може конкурувати з металом і пластиком. Більшість сімейних будинків побудовано на дерев’яному каркасі. Проблема полягає в тому, що натуральна деревина надто м’яка і надто легко пошкоджується водою, щоб замінити пластик і метал у більшості випадків. Недавня стаття опублікований у журналі Matter досліджує створення загартованого деревного матеріалу, який долає ці обмеження. Кульмінацією цього дослідження стало створення дерев’яних ножів і цвяхів. Наскільки хороший дерев’яний ніж і чи будете ви ним користуватися найближчим часом?
Волокниста структура деревини приблизно на 50% складається з целюлози, природного полімеру з теоретично хорошими властивостями міцності. Решта половини деревної структури в основному складається з лігніну та геміцелюлози. У той час як целюлоза утворює довгі, міцні волокна, які забезпечують деревину основою її природного міцність, геміцелюлоза має мало узгодженої структури і, отже, не сприяє міцності деревини. Лігнін заповнює порожнечі між целюлозними волокнами та виконує корисні завдання для живої деревини. Але для людської мети ущільнення деревини та міцнішого зв’язування її целюлозних волокон лігнін став перешкода.
У цьому дослідженні натуральну деревину перетворювали на загартовану деревину (HW) у чотири етапи. Спочатку деревину кип’ятять у гідроксиду натрію та сульфаті натрію, щоб видалити частину геміцелюлози та лігніну. Після цієї хімічної обробки деревина стає щільнішою шляхом пресування у пресі протягом кількох годин при кімнатній температурі. Це зменшує природні щілини або пори в деревині та посилює хімічний зв’язок між сусідніми целюлозними волокнами. Далі деревину піддають тиску при 105° C (221° F) ще кілька годин до повного ущільнення, а потім сушать. Нарешті деревину занурюють у мінеральне масло на 48 годин, щоб зробити готовий продукт водонепроникним.
Однією з механічних властивостей конструкційного матеріалу є твердість на вдавлення, яка є мірою його здатності протистояти деформації під час стискання силою. Алмаз твердіший за сталь, твердіший за золото, твердіший за дерево та міцніший за пінопласт. Серед багатьох інженерних тести, які використовуються для визначення твердості, такі як твердість за Моосом, що використовується в гемології, тест Брінелля є одним із них. Його концепція проста: твердий металевий кульковий підшипник вдавлюється в тестову поверхню з певною силою. Виміряйте діаметр круглого поглиблення, утворене кулькою. Значення твердості за Брінеллем обчислюється за математичною формулою; Грубо кажучи, чим більший отвір потрапляє м’яч, тим м’якший матеріал. У цьому тесті HW у 23 рази твердіший за натуральну деревину.
Більшість необробленої натуральної деревини поглинає воду. Це може розширити деревину та зрештою знищити її структурні властивості. Автори використали дводенне мінеральне замочування, щоб підвищити водостійкість HW, зробивши її більш гідрофобною («боїться води»). Випробування на гідрофобність передбачає розміщення краплі води на поверхні. Чим більш гідрофобна поверхня, тим більш сферичними стають краплі води. З іншого боку, гідрофільна («водолюбна») поверхня розподіляє краплі рівно (і згодом легше вбирає воду).Тому мінеральне замочування не тільки значно підвищує гідрофобність ГВ, але й запобігає вбиранню вологи деревиною.
У деяких інженерних випробуваннях ножі HW показали трохи кращі результати, ніж металеві ножі. Автори стверджують, що ніж HW приблизно втричі гостріший ніж комерційно доступний. Однак є застереження щодо цього цікавого результату. Дослідники порівнюють столові ножі, або те, що ми можемо назвати ножами для масла. Вони не призначені для особливої гостроти. Автори показують відео, як їхній ніж розрізає стейк, але досить міцний дорослий, ймовірно, міг би розрізати той самий стейк тупою стороною металевої виделки, і ніж для стейка підійде набагато краще.
Як щодо цвяхів? Очевидно, що один цвях HW можна легко забити в стопку з трьох дощок, хоча це не так детально, як відносна легкість порівняно із залізними цвяхами. Дерев’яні кілки можуть утримувати дошки разом, протистоячи силі, яка могла б розірвати їх окремо, з приблизно такою ж міцністю, як і залізні кілки. Проте в їхніх випробуваннях дошки в обох випадках вийшли з ладу раніше, ніж один з цвяхів, тому міцніші цвяхи не були піддані впливу.
Чи кращі цвяхи HW в інших аспектах? Дерев’яні кілочки легші, але вага конструкції не в першу чергу залежить від маси кілочків, які утримують її разом. Дерев’яні кілочки не іржавіють. Однак вони не будуть непроникними для води чи біорозкладатися.
Немає сумніву, що автор розробив процес, щоб зробити деревину міцнішою за натуральну деревину. Однак корисність фурнітури для будь-якої конкретної роботи потребує подальшого вивчення. Чи може вона бути такою ж дешевою та менш ресурсоємною, як пластик? Чи може вона конкурувати з більш міцною привабливіші, нескінченно багаторазові металеві об’єкти? Їхні дослідження піднімають цікаві запитання. Поточні розробки (і, зрештою, ринок) дадуть на них відповідь.
Час публікації: 13 квітня 2022 р
