Естественото дърво и металът са основни строителни материали за хората от хиляди години. Синтетичните полимери, които наричаме пластмаси, са скорошно изобретение, което преживява бум през 20-ти век.
Както металите, така и пластмасите имат свойства, които са подходящи за промишлена и търговска употреба. Металите са здрави, твърди и като цяло устойчиви на въздух, вода, топлина и постоянно напрежение. Те обаче изискват и повече ресурси (което означава по-скъпи) за производството и рафинирането на продуктите си. Пластмасата осигурява някои от функциите на метала, като същевременно изисква по-малка маса и е много евтина за производство. Свойствата им могат да бъдат персонализирани за почти всяка употреба. Евтините търговски пластмаси обаче са ужасни структурни материали: пластмасовите уреди не са нещо добро 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 металите и пластмасите. Повечето семейни къщи са построени върху дървена конструкция. Проблемът е, че естественото дърво е твърде меко и твърде лесно се поврежда от вода, за да замени пластмасата и метала през повечето време. Неотдавнашна статия, публикувана в списание 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 дървената структура е главно лигнин и хемицелулоза. Докато целулозата образува дълги, жилави влакна, които осигуряват на дървесината гръбнака на естествената ѝ здравина, хемицелулозата има малка кохерентна структура и по този начин не допринася с нищо за здравината на дървесината. Лигнинът запълва празнините между целулозните влакна и изпълнява полезни задачи за живата дървесина. Но за целите на хората да уплътняват дървесината и да свързват по-плътно целулозните ѝ влакна, лигнинът се е превърнал в пречка.
В това проучване естествената дървесина е превърната в закалена дървесина (HW) в четири стъпки. Първо, дървесината се вари в натриев хидроксид и натриев сулфат, за да се отстрани част от хемицелулозата и лигнина. След тази химическа обработка, дървесината става по-плътна чрез пресоване в продължение на няколко часа при стайна температура. Това намалява естествените празнини или пори в дървесината и подобрява химическата връзка между съседните целулозни влакна. След това дървесината се подлага на налягане при 105° C (221° F) за още няколко часа, за да се завърши уплътняването, и след това се суши. Накрая дървесината се потапя в минерално масло за 48 часа, за да се направи готовият продукт водоустойчив.
Едно механично свойство на структурния материал е твърдостта при вдлъбване, която е мярка за способността му да се съпротивлява на деформация при натиск. Диамантът е по-твърд от стоманата, по-твърд от златото, по-твърд от дървото и по-твърд от пяната за уплътняване. Сред многото инженерни тестове, използвани за определяне на твърдостта, като например твърдостта по Моос, използвана в гемологията, тестът по Бринел е един от тях. Концепцията му е проста: твърд метален сачмен лагер се притиска към тестовата повърхност с определена сила. Измерва се диаметърът на кръговото вдлъбване, създадено от топката. Стойността на твърдостта по Бринел се изчислява с помощта на математическа формула; грубо казано, колкото по-голям е отворът, в който попада топката, толкова по-мек е материалът. В този тест HW е 23 пъти по-твърдо от естественото дърво.
Повечето необработена естествена дървесина абсорбира вода. Това може да разшири дървесината и в крайна сметка да разруши структурните ѝ свойства. Авторите са използвали двудневно минерално накисване, за да увеличат водоустойчивостта на дървесината, правейки я по-хидрофобна („страхуваща се от вода“). Тестът за хидрофобност включва поставяне на капка вода върху повърхност. Колкото по-хидрофобна е повърхността, толкова по-сферични стават водните капчици. Хидрофилната („водолюбива“) повърхност, от друга страна, разпределя капчиците плоско (и впоследствие абсорбира водата по-лесно). Следователно, минералното накисване не само значително увеличава хидрофобността на дървесината, но и предотвратява абсорбирането на влага от дървесината.
В някои инженерни тестове, ножовете HW се представиха малко по-добре от металните ножове. Авторите твърдят, че ножът HW е около три пъти по-остър от нож, предлаган в търговската мрежа. Има обаче едно предупреждение към този интересен резултат. Изследователите сравняват ножове за маса или това, което бихме могли да наречем ножове за масло. Те не са предназначени да бъдат особено остри. Авторите показват видеоклип на ножа си, който реже пържола, но сравнително силен възрастен вероятно би могъл да отреже същата пържола с тъпата страна на метална вилица, а нож за пържола би работил много по-добре.
Ами пироните? Един HW пирон очевидно може лесно да се забие в купчина от три дъски, макар и не толкова детайлно, колкото е относително лесно в сравнение с железните пирони. Дървените колчета могат да държат дъските заедно, устоявайки на силата, която би ги разкъсала, с приблизително същата здравина като железните колчета. В техните тестове обаче дъските и в двата случая се счупиха преди някой от пироните, така че по-здравите пирони не бяха изложени на риск.
По-добри ли са HW пироните по други начини? Дървените колчета са по-леки, но теглото на конструкцията не се определя предимно от масата на колчетата, които я държат заедно. Дървените колчета не ръждясват. Въпреки това, те не са водоустойчиви или биоразлагаеми.
Няма съмнение, че авторът е разработил процес, който прави дървото по-здраво от естественото дърво. Полезността на обкова за всяка конкретна работа обаче изисква допълнително проучване. Може ли той да бъде толкова евтин и без ресурси, колкото пластмасата? Може ли да се конкурира с по-здрави, по-привлекателни, безкрайно многократно използваеми метални предмети? Изследванията им повдигат интересни въпроси. Текущото инженерство (и в крайна сметка пазарът) ще им отговори.
Време на публикуване: 13 април 2022 г.
