Естественото дърво и метал са основни строителни материали за хората от хиляди години. Синтетичните полимери, които наричаме пластмаси, са скорошно изобретение, което избухна през 20-ти век.
Както металите, така и пластмасите имат свойства, които са много подходящи за промишлена и търговска употреба. Металите са здрави, твърди и като цяло издръжливи на въздух, вода, топлина и постоянен стрес. Те обаче изискват и повече ресурси (което означава по-скъпи) за произвеждат и усъвършенстват продуктите си. Пластмасата осигурява някои от функциите на метала, като същевременно изисква по-малка маса и е много евтина за производство. Техните свойства могат да бъдат персонализирани за почти всяка употреба. Евтините търговски пластмаси обаче правят ужасни структурни материали: пластмасовите уреди не са хубаво нещо и никой не иска да живее в пластмасова къща. Освен това те често се рафинират от изкопаеми горива.
В някои приложения естественото дърво може да се конкурира с метали и пластмаси. Повечето семейни домове са изградени върху дървена рамка. Проблемът е, че естественото дърво е твърде меко и твърде лесно се уврежда от водата, за да замени пластмасата и метала през повечето време. Скорошен документ публикувано в списанието Matter изследва създаването на закален дървен материал, който преодолява тези ограничения. Това изследване завърши със създаването на дървени ножове и пирони. Колко добър е дървеният нож и ще го използвате ли скоро?
Влакнестата структура на дървесината се състои от приблизително 50% целулоза, естествен полимер с теоретично добри якостни свойства. Останалата половина от дървесната структура е главно лигнин и хемицелулоза. Докато целулозата образува дълги, здрави влакна, които осигуряват на дървото гръбнака на неговия естествен здравина, хемицелулозата има малко кохерентна структура и по този начин не допринася с нищо за здравината на дървото. Лигнинът запълва празнините между целулозните влакна и изпълнява полезни задачи за живата дървесина. Но за целта на хората да уплътняват дървесината и да свържат нейните целулозни влакна по-здраво заедно, лигнинът стана пречка.
В това изследване естественото дърво е превърнато в закалено дърво (HW) в четири стъпки. Първо, дървото се вари в натриев хидроксид и натриев сулфат, за да се отстрани част от хемицелулозата и лигнина. След тази химическа обработка дървото става по-плътно чрез натискане в преса за няколко часа при стайна температура. Това намалява естествените празнини или пори в дървото и засилва химическото свързване между съседни целулозни влакна. След това дървото се подлага на налягане при 105° C (221° F) за още няколко часа до пълно уплътняване и след това се изсушава. Накрая дървото се потапя в минерално масло за 48 часа, за да стане готовият продукт водоустойчив.
Едно механично свойство на структурен материал е твърдостта на вдлъбнатина, която е мярка за способността му да устои на деформация при натискане със сила. Диамантът е по-твърд от стомана, по-твърд от злато, по-твърд от дърво и по-твърд от опаковъчна пяна. Сред многото инженерни тестове, използвани за определяне на твърдостта, като твърдостта на Моос, използвана в гемологията, тестът на Бринел е един от тях. Концепцията му е проста: сачмен лагер от твърд метал се притиска в тестовата повърхност с определена сила. Измерете диаметъра на кръглата вдлъбнатина, създадена от топката. Стойността на твърдостта по Бринел се изчислява с помощта на математическа формула; грубо казано, колкото по-голяма е дупката, в която топката попада, толкова по-мек е материалът. В този тест HW е 23 пъти по-твърд от естественото дърво.
Повечето необработено естествено дърво ще абсорбира вода. Това може да разшири дървото и в крайна сметка да унищожи структурните му свойства. Авторите са използвали двудневно минерално накисване, за да увеличат водоустойчивостта на HW, което го прави по-хидрофобен („страхуващ се от вода“). Тестът за хидрофобност включва поставяне на капка вода върху повърхност. Колкото по-хидрофобна е повърхността, толкова по-сферични стават водните капки. Хидрофилната („любяща вода“) повърхност, от друга страна, разпръсква капките плоски (и впоследствие абсорбира водата по-лесно). Следователно минералното накисване не само значително повишава хидрофобността на HW, но също така не позволява на дървото да абсорбира влага.
При някои инженерни тестове HW ножовете се представиха малко по-добре от металните ножове. Авторите твърдят, че HW ножът е около три пъти по-остър от наличния в търговската мрежа нож. Въпреки това, има предупреждение към този интересен резултат. Изследователите сравняват трапезни ножове, или това, което бихме могли да наречем ножове за масло. Те не са предназначени да бъдат особено остри. Авторите показват видеоклип на техния нож, който реже пържола, но сравнително силен възрастен вероятно би могъл да нареже същата пържола с тъпата страна на метална вилица и нож за пържоли би свършил работа много по-добре.
Какво ще кажете за гвоздеите? Един HW пирон очевидно може лесно да бъде забит в купчина от три дъски, макар и не толкова детайлно, колкото е относително лесно в сравнение с железните гвоздеи. След това дървените колчета могат да държат дъските заедно, устоявайки на силата, която би се разкъсала При техните тестове обаче дъските и в двата случая се провалиха, преди някой от гвоздеите да се повреди, така че по-здравите гвоздеи не бяха изложени.
Пироните HW по-добри ли са по други начини? Дървените колчета са по-леки, но теглото на конструкцията не се определя основно от масата на колчетата, които я държат заедно. Дървените колчета няма да ръждясват. Въпреки това няма да бъдат непроницаеми за вода или биоразграждам.
Няма съмнение, че авторът е разработил процес, за да направи дървото по-здраво от естественото дърво. Въпреки това, полезността на хардуера за всяка конкретна работа изисква допълнително проучване. Може ли да бъде толкова евтино и с по-малко ресурси като пластмасата? Може ли да се конкурира с по-здрави , по-привлекателни, безкрайно многократно използвани метални предмети? Изследванията им повдигат интересни въпроси. Текущото инженерство (и в крайна сметка пазарът) ще им отговори.
Време на публикуване: 13 април 2022 г
