Naturalne drewno i metal są dla ludzi podstawowymi materiałami budowlanymi od tysięcy lat. Syntetyczne polimery, zwane tworzywami sztucznymi, są niedawnym wynalazkiem, którego popularność wzrosła w XX wieku.
Zarówno metale, jak i tworzywa sztuczne mają właściwości, które doskonale nadają się do zastosowań przemysłowych i komercyjnych. Metale są wytrzymałe, sztywne i generalnie odporne na działanie powietrza, wody, ciepła i stałego naprężenia. Wymagają jednak więcej zasobów (co oznacza, że są droższe) do produkcji i rafinacji swoich produktów. Tworzywa sztuczne spełniają niektóre funkcje metalu, wymagając jednocześnie mniejszej masy i są bardzo tanie w produkcji. Ich właściwości można dostosować do niemal każdego zastosowania. Jednak tanie tworzywa sztuczne do zastosowań komercyjnych są kiepskim materiałem konstrukcyjnym: plastikowe urządzenia nie są dobrym rozwiązaniem, a nikt nie chce mieszkać w plastikowym domu. Ponadto często są rafinowane z paliw kopalnych.
W niektórych zastosowaniach drewno naturalne może konkurować z metalami i tworzywami sztucznymi. Większość domów jednorodzinnych buduje się w oparciu o szkielet drewniany. Problem polega na tym, że drewno naturalne jest zbyt miękkie i zbyt łatwo ulega uszkodzeniu pod wpływem wody, aby w większości przypadków zastąpić plastik i metal. Niedawno opublikowany w czasopiśmie Matter artykuł bada możliwość stworzenia utwardzonego materiału drewnianego, który przezwycięży te ograniczenia. Badania te doprowadziły do stworzenia drewnianych noży i gwoździ. Jak dobry jest drewniany nóż i czy będziesz go używać w najbliższym czasie?
Włóknista struktura drewna składa się w około 50% z celulozy, naturalnego polimeru o teoretycznie dobrych właściwościach wytrzymałościowych. Pozostałą połowę struktury drewna stanowią głównie lignina i hemiceluloza. Podczas gdy celuloza tworzy długie, wytrzymałe włókna, które nadają drewnu naturalną wytrzymałość, hemiceluloza ma niewielką spójną strukturę i w związku z tym nie przyczynia się do jego wytrzymałości. Lignina wypełnia puste przestrzenie między włóknami celulozy i pełni pożyteczne funkcje w żywym drewnie. Jednak w procesie zagęszczania drewna i silniejszego wiązania włókien celulozy przez człowieka lignina stała się przeszkodą.
W tym badaniu naturalne drewno zostało przetworzone w drewno utwardzone (HW) w czterech etapach. Najpierw drewno gotowano w wodorotlenku sodu i siarczanie sodu w celu usunięcia części hemicelulozy i ligniny. Po tym chemicznym zabiegu drewno zagęszczano poprzez prasowanie go w prasie przez kilka godzin w temperaturze pokojowej. Zmniejsza to naturalne szczeliny lub pory w drewnie i wzmacnia wiązania chemiczne między sąsiadującymi włóknami celulozy. Następnie drewno poddawano działaniu ciśnienia w temperaturze 105°C (221°F) przez kilka kolejnych godzin w celu zakończenia zagęszczania, a następnie suszono. Na koniec drewno zanurzano w oleju mineralnym na 48 godzin, aby uzyskać wodoodporność gotowego produktu.
Jedną z właściwości mechanicznych materiału konstrukcyjnego jest twardość wgnieciona, która jest miarą jego zdolności do przeciwstawiania się odkształceniu pod wpływem siły ściskającej. Diament jest twardszy od stali, twardszy od złota, twardszy od drewna i twardszy od pianki do wypełnień. Spośród wielu testów inżynieryjnych stosowanych do określania twardości, takich jak twardość w skali Mohsa stosowana w gemmologii, jednym z nich jest test Brinella. Jego koncepcja jest prosta: twarda metalowa kulka łożyskowa jest wciskana w powierzchnię testową z określoną siłą. Zmierz średnicę okrągłego wgłębienia utworzonego przez kulkę. Wartość twardości Brinella oblicza się za pomocą wzoru matematycznego; ogólnie rzecz biorąc, im większy otwór uderza kulka, tym bardziej miękki jest materiał. W tym teście HW jest 23 razy twardszy niż naturalne drewno.
Większość nieobrobionego drewna naturalnego wchłania wodę. Może to powodować rozszerzanie się drewna i ostatecznie zniszczenie jego właściwości strukturalnych. Autorzy zastosowali dwudniową kąpiel mineralną, aby zwiększyć wodoodporność HW, czyniąc je bardziej hydrofobowym („bojącym się wody”). Test hydrofobowości polega na umieszczeniu kropli wody na powierzchni. Im bardziej hydrofobowa powierzchnia, tym bardziej kuliste stają się krople wody. Z kolei powierzchnia hydrofilowa („lubiąca wodę”) rozprowadza krople płasko (i w rezultacie łatwiej wchłania wodę). Dlatego kąpiel mineralna nie tylko znacznie zwiększa hydrofobowość HW, ale także zapobiega wchłanianiu wilgoci przez drewno.
W niektórych testach inżynieryjnych noże HW wypadły nieco lepiej niż noże metalowe. Autorzy twierdzą, że nóż HW jest około trzy razy ostrzejszy od noży dostępnych w sprzedaży. Jednak ten interesujący wynik ma pewien wyjątek. Naukowcy porównują noże stołowe, czyli jak to nazwalibyśmy noże do masła. Nie są one szczególnie ostre. Autorzy pokazują film, na którym ich nóż kroi stek, ale dość silny dorosły prawdopodobnie mógłby pokroić ten sam stek tępą stroną metalowego widelca, a nóż do steków sprawdziłby się znacznie lepiej.
A co z gwoździami? Pojedynczy gwóźdź HW można najwyraźniej łatwo wbić w stos trzech desek, choć nie jest to tak precyzyjne, jak w przypadku gwoździ żelaznych. Drewniane kołki mogą następnie utrzymać deski razem, opierając się sile, która mogłaby je rozerwać, z porównywalną wytrzymałością do kołków żelaznych. Jednak w obu przypadkach, podczas testów, deski załamały się, zanim którykolwiek z gwoździ został uszkodzony, więc mocniejsze gwoździe nie zostały odsłonięte.
Czy gwoździe HW są lepsze pod innymi względami? Drewniane kołki są lżejsze, ale ciężar konstrukcji nie jest w głównej mierze napędzany masą kołków, które ją trzymają. Drewniane kołki nie rdzewieją. Nie będą jednak odporne na wodę i nie ulegną biodegradacji.
Nie ma wątpliwości, że autor opracował proces, który sprawia, że drewno jest mocniejsze niż drewno naturalne. Jednak przydatność okuć w konkretnym zastosowaniu wymaga dalszych badań. Czy mogą być tak tanie i niewymagające zasobów jak plastik? Czy mogą konkurować z mocniejszymi, atrakcyjniejszymi i nieskończenie wielokrotnego użytku przedmiotami metalowymi? Ich badania rodzą interesujące pytania. Odpowiedzi na nie przyniesie postępująca inżynieria (a ostatecznie rynek).
Czas publikacji: 13 kwietnia 2022 r.
