Prirodno drvo i metal bili su ključni građevinski materijali za ljude tisućama godina. Sintetski polimeri koje nazivamo plastikom nedavni su izum koji je eksplodirao u 20. stoljeću.
I metali i plastika imaju svojstva koja su prikladna za industrijsku i komercijalnu upotrebu. Metali su jaki, kruti i općenito otporni na zrak, vodu, toplinu i stalni stres. Međutim, također zahtijevaju više resursa (što znači skuplje) za proizvode i oplemenjuju svoje proizvode. Plastika pruža neke od funkcija metala dok zahtijeva manju masu i vrlo je jeftina za proizvodnju. Njihova se svojstva mogu prilagoditi za gotovo svaku upotrebu. Međutim, jeftina komercijalna plastika čini užasne strukturne materijale: plastični uređaji nisu dobra stvar, i nitko ne želi živjeti u plastičnoj kući. Osim toga, često se rafiniraju iz fosilnih goriva.
U nekim se primjenama prirodno drvo može natjecati s metalima i plastikom. Većina obiteljskih kuća izgrađena je na drvenom okviru. Problem je u tome što je prirodno drvo premekano i previše ga lako ošteti voda da bi zamijenilo plastiku i metal većinu vremena. Nedavni rad objavljeno u časopisu Matter istražuje stvaranje tvrdog drvenog materijala koji nadilazi ta ograničenja. Ovo istraživanje kulminiralo je stvaranjem drvenih noževa i čavala. Koliko je dobar drveni nož i hoćete li ga koristiti u skorije vrijeme?
Vlaknasta struktura drva sastoji se od otprilike 50% celuloze, prirodnog polimera s teoretski dobrim svojstvima čvrstoće. Preostalu polovicu drvene strukture čine uglavnom lignin i hemiceluloza. Dok celuloza tvori duga, čvrsta vlakna koja drvu daju okosnicu njegove prirodne čvrstoće, hemiceluloza ima malo koherentne strukture i stoga ne pridonosi ništa čvrstoći drva. Lignin ispunjava praznine između celuloznih vlakana i obavlja korisne zadatke za živo drvo. Ali za svrhu ljudi da sabijaju drvo i čvršće vežu njegova celulozna vlakna, lignin je postao smetnja.
U ovoj studiji, prirodno drvo je pretvoreno u kaljeno drvo (HW) u četiri koraka. Prvo, drvo se kuha u natrijevom hidroksidu i natrijevom sulfatu kako bi se uklonio dio hemiceluloze i lignina. Nakon ove kemijske obrade, drvo postaje gušće prešanjem u preši nekoliko sati na sobnoj temperaturi. To smanjuje prirodne praznine ili pore u drvu i pojačava kemijsko vezivanje između susjednih celuloznih vlakana. Zatim se drvo drži pod tlakom na 105° C (221° F) još nekoliko sati do potpunog zgušnjavanja, a zatim se suši. Na kraju, drvo se uranja u mineralno ulje 48 sati kako bi gotov proizvod bio vodootporan.
Jedno mehaničko svojstvo konstrukcijskog materijala je tvrdoća udubljenja, što je mjera njegove sposobnosti da se odupre deformaciji kada se pritisne silom. Dijamant je tvrđi od čelika, tvrđi od zlata, tvrđi od drva i tvrđi od pjene za pakiranje. Među mnogim inženjerskim testovi koji se koriste za određivanje tvrdoće, kao što je Mohsova tvrdoća koja se koristi u gemologiji, Brinellov test je jedan od njih. Njegov koncept je jednostavan: kuglični ležaj od tvrdog metala utisne se u ispitnu površinu određenom silom. Izmjerite promjer kružnog udubljenje koje stvara kuglica. Vrijednost Brinellove tvrdoće izračunava se pomoću matematičke formule; grubo govoreći, što je veća rupa koju lopta pogodi, to je materijal mekši. U ovom testu, HW je 23 puta tvrđi od prirodnog drva.
Većina neobrađenog prirodnog drva upijat će vodu. To može proširiti drvo i na kraju uništiti njegova strukturna svojstva. Autori su koristili dvodnevno namakanje mineralom kako bi povećali vodootpornost HW-a, čineći ga hidrofobnijim ("boji se vode"). Test hidrofobnosti uključuje stavljanje kapljice vode na površinu. Što je površina hidrofobnija, kapljice vode postaju sferičnije. S druge strane, hidrofilna površina ("koja voli vodu") raspoređuje kapljice ravno (i naknadno lakše upija vodu). Stoga natapanje mineralima ne samo da značajno povećava hidrofobnost HW-a, već također sprječava drvo da upije vlagu.
U nekim inženjerskim testovima, HW noževi su bili nešto bolji od metalnih noževa. Autori tvrde da je HW nož oko tri puta oštriji od komercijalno dostupnih noževa. Međutim, postoji upozorenje u vezi s ovim zanimljivim rezultatom. Istraživači uspoređuju stolne noževe, ili ono što bismo mogli nazvati noževima za maslac. Oni nisu namijenjeni da budu posebno oštri. Autori prikazuju video na kojem njihov nož reže odrezak, ali razumno jaka odrasla osoba vjerojatno bi mogla rezati isti odrezak tupom stranom metalne vilice, i nož za odreske bio bi puno bolji.
Što je s čavlima? Jedan HW čavao se očito može lako zakucati u hrpu od tri daske, iako ne tako detaljno jer je to relativno lako u usporedbi sa željeznim čavlima. Drveni klinovi tada mogu držati daske zajedno, odupirući se sili koja bi ih potrgala razdvojiti ih, s približno istom žilavošću kao i željezni klinovi. U njihovim testovima, međutim, daske su u oba slučaja otkazale prije nego što je otkazao bilo koji čavao, tako da jači čavli nisu bili izloženi.
Jesu li HW čavli bolji na druge načine? Drveni klinovi su lakši, ali težina konstrukcije nije primarno vođena masom klinova koji je drže zajedno. Drveni klinovi neće hrđati. Međutim, neće biti otporni na vodu ili biorazgraditi.
Nema sumnje da je autor razvio postupak za izradu drva čvršćeg od prirodnog drva. Međutim, korisnost hardvera za bilo koji određeni posao zahtijeva daljnje proučavanje. Može li biti jeftin i trošiti manje resursa kao plastika? Može li se natjecati s čvršćim , privlačniji metalni predmeti koji se mogu beskonačno višekratno koristiti? Njihova istraživanja postavljaju zanimljiva pitanja. Inženjering koji je u tijeku (i konačno tržište) će odgovoriti na njih.
Vrijeme objave: 13. travnja 2022
