Prirodno drvo i metal su tisućama godina bili osnovni građevinski materijali za ljude. Sintetički polimeri koje nazivamo plastikom su nedavni izum koji je doživio eksploziju u 20. stoljeću.
I metali i plastika imaju svojstva koja su vrlo 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 i skuplje) za proizvodnju i rafiniranje svojih proizvoda. Plastika pruža neke od funkcija metala, a zahtijeva manju masu i vrlo je jeftina za proizvodnju. Njihova svojstva mogu se prilagoditi za gotovo svaku upotrebu. Međutim, jeftina komercijalna plastika čini užasne konstrukcijske materijale: plastični uređaji nisu dobra stvar, a nitko ne želi živjeti u plastičnoj kući. Osim toga, često se rafiniraju iz fosilnih goriva.
U nekim primjenama, prirodno drvo može konkurirati metalima i plastici. Većina obiteljskih kuća izgrađena je na drvenim okvirima. Problem je što je prirodno drvo premekano i prelako oštećeno vodom da bi većinu vremena zamijenilo plastiku i metal. Nedavni rad objavljen u časopisu Matter istražuje stvaranje očvrslog drvenog materijala koji prevladava ta ograničenja. Ovo istraživanje kulminiralo je stvaranjem drvenih noževa i čavala. Koliko je dobar drveni nož i hoćete li ga uskoro koristiti?
Vlaknasta struktura drva sastoji se od približno 50% celuloze, prirodnog polimera s teoretski dobrim svojstvima čvrstoće. Preostala polovica drvene strukture uglavnom je lignin i hemiceluloza. Dok celuloza tvori duga, žilava vlakna koja drvu daju okosnicu njegove prirodne čvrstoće, hemiceluloza ima malo koherentne strukture i stoga ne doprinosi čvrstoći drva. Lignin ispunjava praznine između celuloznih vlakana i obavlja korisne zadatke za živo drvo. Ali za ljudsku svrhu zbijanja drva i čvršćeg povezivanja njegovih celuloznih vlakana, lignin je postao prepreka.
U ovoj studiji, prirodno drvo je pretvoreno u očvrsnuto 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 poboljšava kemijsko vezanje između susjednih celuloznih vlakana. Zatim se drvo tlači na 105° C (221° F) još nekoliko sati kako bi se dovršilo zgušnjavanje, a zatim se suši. Na kraju, drvo se uranja u mineralno ulje na 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 stisne silom. Dijamant je tvrđi od čelika, tvrđi od zlata, tvrđi od drva i tvrđi od pjene za pakiranje. Među mnogim inženjerskim testovima koji se koriste za određivanje tvrdoće, poput Mohsove tvrdoće koja se koristi u gemologiji, Brinell test je jedan od njih. Njegov koncept je jednostavan: kuglični ležaj od tvrdog metala utiskuje se u ispitnu površinu određenom silom. Izmjerite promjer kružnog udubljenja koje je stvorila kuglica. Vrijednost tvrdoće Brinella izračunava se pomoću matematičke formule; grubo govoreći, što je veća rupa u koju kuglica udari, to je materijal mekši. U ovom testu, HW je 23 puta tvrđe od prirodnog drva.
Većina netretiranog prirodnog drva apsorbirat će vodu. To može proširiti drvo i na kraju uništiti njegova strukturna svojstva. Autori su koristili dvodnevno namakanje mineralima kako bi povećali otpornost drva na vodu, čineći ga hidrofobnijim („boji se vode“). Test hidrofobnosti uključuje stavljanje kapi vode na površinu. Što je površina hidrofobnija, to su kapljice vode sferičnije. Hidrofilna („voli vodu“) površina, s druge strane, širi kapljice (i potom lakše upija vodu). Stoga, namakanje mineralima ne samo značajno povećava hidrofobnost drva, već i sprječava drvo da upija vlagu.
U nekim inženjerskim testovima, HW noževi su se pokazali nešto boljim od metalnih noževa. Autori tvrde da je HW nož otprilike tri puta oštriji od komercijalno dostupnog noža. 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 svog noža kako reže odrezak, ali razumno jaka odrasla osoba vjerojatno bi mogla rezati isti odrezak tupom stranom metalne vilice, a nož za odrezak bi radio puno bolje.
Što je s čavlima? Jedan HW čavao se očito može lako zabiti u hrpu od tri daske, iako ne tako detaljno jer je relativno lako u usporedbi sa željeznim čavlima. Drveni klinovi tada mogu držati daske zajedno, odupirući se sili koja bi ih razdvojila, s otprilike istom čvrstoćom kao i željezni klinovi. Međutim, u njihovim testovima, 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 prvenstveno određena masom klinova koji je drže zajedno. Drveni klinovi neće hrđati. Međutim, neće biti nepropusni za vodu ili biorazgradnju.
Nema sumnje da je autor razvio postupak kojim se drvo čini jačim od prirodnog drva. Međutim, korisnost okova za bilo koji određeni posao zahtijeva daljnje proučavanje. Može li biti jeftin i bez resursa kao plastika? Može li se natjecati s jačim, atraktivnijim, beskonačno ponovno upotrebljivim metalnim predmetima? Njihovo istraživanje postavlja zanimljiva pitanja. Tekući inženjering (i u konačnici tržište) odgovorit će na njih.
Vrijeme objave: 13. travnja 2022.
