Природно дрво и метал су били неопходни грађевински материјали за људе хиљадама година. Синтетички полимери које називамо пластиком су недавни изум који је доживео експлозију у 20. веку.
И метали и пластика имају својства која су погодна за индустријску и комерцијалну употребу. Метали су јаки, крути и генерално отпорни на ваздух, воду, топлоту и стални стрес. Међутим, они такође захтевају више ресурса (што значи и скупље) за производњу и усавршавање својих производа. Пластика пружа неке од функција метала, а захтева мању масу и веома је јефтина за производњу. Њихова својства се могу прилагодити за скоро сваку употребу. Међутим, јефтина комерцијална пластика је ужасан структурни материјал: пластични уређаји нису добра ствар, а нико не жели да живи у пластичној кући. Поред тога, често се рафинишу из фосилних горива.
У неким применама, природно дрво може да се такмичи са металима и пластиком. Већина породичних кућа је изграђена на дрвеним конструкцијама. Проблем је што је природно дрво превише меко и превише лако га оштећује вода да би заменило пластику и метал већину времена. Недавни рад објављен у часопису Matter истражује стварање очврслог дрвеног материјала који превазилази ова ограничења. Ово истраживање је кулминирало стварањем дрвених ножева и ексера. Колико је добар дрвени нож и да ли ћете га ускоро користити?
Влакнаста структура дрвета састоји се од приближно 50% целулозе, природног полимера са теоретски добрим својствима чврстоће. Преостала половина дрвене структуре је углавном лигнин и хемицелулоза. Док целулоза формира дуга, жилава влакна која дрвету пружају окосницу његове природне чврстоће, хемицелулоза има мало кохерентне структуре и стога не доприноси чврстоћи дрвета. Лигнин испуњава празнине између целулозних влакана и обавља корисне задатке за живо дрво. Али за људску сврху сабијања дрвета и чвршћег везивања његових целулозних влакана, лигнин је постао препрека.
У овој студији, природно дрво је претворено у очврсло дрво (HW) у четири корака. Прво, дрво се кува у натријум хидроксиду и натријум сулфату да би се уклонио део хемицелулозе и лигнина. Након овог хемијског третмана, дрво постаје гушће пресовањем у преси неколико сати на собној температури. Ово смањује природне празнине или поре у дрвету и побољшава хемијску везу између суседних целулозних влакана. Затим, дрво се излаже притиску на 105° C (221° F) још неколико сати да би се завршило згушњавање, а затим се суши. Коначно, дрво се урања у минерално уље на 48 сати да би готов производ био водоотпоран.
Једно механичко својство конструкционог материјала је тврдоћа удубљења, што је мера његове способности да се одупре деформацији када се стисне силом. Дијамант је тврђи од челика, тврђи од злата, тврђи од дрвета и тврђи од пене за паковање. Међу многим инжењерским тестовима који се користе за одређивање тврдоће, као што је Мосова тврдоћа која се користи у гемологији, Бринелов тест је један од њих. Његов концепт је једноставан: куглични лежај од тврдог метала се утискује у површину за тестирање одређеном силом. Измерите пречник кружног удубљења које је створила куглица. Вредност Бринелове тврдоће се израчунава помоћу математичке формуле; грубо говорећи, што је већа рупа у коју куглица удари, материјал је мекши. У овом тесту, HW је 23 пута тврђи од природног дрвета.
Већина необрађеног природног дрвета ће апсорбовати воду. Ово може проширити дрво и на крају уништити његова структурна својства. Аутори су користили дводневно минерално намакање како би повећали отпорност дрвета на воду, чинећи га хидрофобнијим („плаши се воде“). Тест хидрофобности подразумева стављање капи воде на површину. Што је површина хидрофобнија, капљице воде постају сферније. Хидрофилна („воле воду“) површина, с друге стране, шири капљице (и потом лакше апсорбује воду). Стога, минерално намакање не само значајно повећава хидрофобност дрвета на води, већ и спречава дрво да апсорбује влагу.
У неким инжењерским тестовима, HW ножеви су се показали нешто боље од металних ножева. Аутори тврде да је HW нож око три пута оштрији од комерцијално доступног ножа. Међутим, постоји једна замерка у вези са овим занимљивим резултатом. Истраживачи упоређују стоне ножеве, или оно што бисмо могли назвати ножевима за путер. Они нису намењени да буду посебно оштри. Аутори приказују видео на којем њихов нож сече одрезак, али разумно јака одрасла особа би вероватно могла да сече исти одрезак тупом страном металне виљушке, а нож за одрезак би функционисао много боље.
Шта је са ексерима? Један HW ексер се очигледно може лако закуцати у гомилу од три даске, мада не тако детаљно јер је релативно лако у поређењу са гвозденим ексерима. Дрвени клинови тада могу држати даске заједно, отпорни на силу која би их растргла, са приближно истом чврстином као и гвоздени клинови. Међутим, у њиховим тестовима, даске су у оба случаја отказале пре него што је отказао било који ексер, тако да јачи ексери нису били изложени.
Да ли су HW ексери бољи на друге начине? Дрвени клинови су лакши, али тежина конструкције није првенствено одређена масом клинова који је држе заједно. Дрвени клинови неће рђати. Међутим, неће бити отпорни на воду или биоразградњу.
Нема сумње да је аутор развио процес којим се дрво чини јачим од природног дрвета. Међутим, корисност окова за било који одређени посао захтева даља истраживања. Да ли може бити јефтин и без ресурса као пластика? Да ли може да се такмичи са јачим, атрактивнијим, бесконачно поново употребљивим металним предметима? Њихово истраживање поставља занимљива питања. Текући инжењеринг (и на крају тржиште) ће им одговорити.
Време објаве: 13. април 2022.
