Prirodno drvo i metal su bili osnovni građevinski materijali za ljude hiljadama godina. Sintetički polimeri koje nazivamo plastikom su nedavni izum koji je doživio eksploziju u 20. vijeku.
I metali i plastika imaju svojstva koja su pogodna za industrijsku i komercijalnu upotrebu. Metali su jaki, kruti i uglavnom otporni na zrak, vodu, toplinu i stalni stres. Međutim, oni 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 predstavlja užasan konstrukcijski materijal: plastični uređaji nisu dobra stvar, a niko 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 porodičnih kuća izgrađena je na drvenim okvirima. Problem je što je prirodno drvo previše mekano i prelako oštećeno vodom da bi većinu vremena zamijenilo plastiku i metal. Nedavni rad objavljen u časopisu Matter istražuje stvaranje očvrslog drvenog materijala koji prevazilazi ova ograničenja. Ovo istraživanje je kulminiralo stvaranjem drvenih noževa i eksera. Koliko je dobar drveni nož i hoćete li ga uskoro koristiti?
Vlaknasta struktura drveta sastoji se od približno 50% celuloze, prirodnog polimera s teoretski dobrim svojstvima čvrstoće. Preostala polovina drvene strukture uglavnom je lignin i hemiceluloza. Dok celuloza formira duga, žilava vlakna koja drvetu daju osnovu njegove prirodne čvrstoće, hemiceluloza ima malo koherentne strukture i stoga ne doprinosi čvrstoći drveta. Lignin ispunjava praznine između celuloznih vlakana i obavlja korisne zadatke za živo drvo. Ali za ljudsku svrhu zbijanja drveta i čvršćeg vezivanja celuloznih vlakana, lignin je postao prepreka.
U ovoj studiji, prirodno drvo je pretvoreno u očvrslo drvo (HW) u četiri koraka. Prvo, drvo se kuha u natrijum hidroksidu i natrijum sulfatu kako bi se uklonio dio hemiceluloze i lignina. Nakon ovog hemijskog tretmana, drvo postaje gušće presovanjem u presi nekoliko sati na sobnoj temperaturi. Ovo smanjuje prirodne praznine ili pore u drvetu i poboljšava hemijsko vezivanje između susjednih celuloznih vlakana. Zatim se drvo izlaže tlaku od 105° C (221° F) još nekoliko sati kako bi se završilo 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, koja je mjera njegove sposobnosti da se odupre deformaciji kada se stisne silom. Dijamant je tvrđi od čelika, tvrđi od zlata, tvrđi od drveta i tvrđi od pjene za pakovanje. Među mnogim inženjerskim testovima koji se koriste za određivanje tvrdoće, kao što je Mohsova tvrdoća koja se koristi u gemologiji, Brinell test je jedan od njih. Njegov koncept je jednostavan: kuglični ležaj od tvrdog metala se utisne u ispitnu površinu određenom silom. Izmjerite prečnik kružnog udubljenja koje je stvorila kuglica. Vrijednost tvrdoće po Brinellu 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 drveta.
Većina netretiranog prirodnog drveta će apsorbirati 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, kapljice vode postaju sferičnije. Hidrofilna („voli vodu“) površina, s druge strane, širi kapljice (i potom lakše apsorbira vodu). Stoga, namakanje mineralima ne samo značajno povećava hidrofobnost drva, već i sprječava drvo da apsorbira vlagu.
U nekim inženjerskim testovima, HW noževi su se pokazali nešto boljim od metalnih noževa. Autori tvrde da je HW nož oko tri puta oštriji od komercijalno dostupnog noža. Međutim, postoji jedna napomena u vezi s ovim zanimljivim rezultatom. Istraživači upoređuju 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 vjerovatno bi mogla rezati isti odrezak tupom stranom metalne viljuške, a nož za odrezak bi radio mnogo bolje.
Šta je sa ekserima? Jedan HW ekser se očigledno može lako zakucati u hrpu od tri daske, iako ne tako detaljno jer je relativno lako u poređenju sa gvozdenim ekserima. Drveni klinovi tada mogu držati daske zajedno, odupirući se sili koja bi ih razdvojila, sa približno istom žilavošću kao i gvozdeni klinovi. Međutim, u njihovim testovima, daske su u oba slučaja otkazale prije nego što je otkazao bilo koji ekser, tako da jači ekseri nisu bili izloženi.
Jesu li HW ekseri 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 otporni na vodu ili biorazgradnju.
Nema sumnje da je autor razvio proces kojim se drvo čini jačim od prirodnog drveta. Međutim, korisnost hardvera za bilo koji određeni posao zahtijeva daljnja istraživanja. Može li biti jeftin i bez resursa kao plastika? Može li se takmičiti s jačim, atraktivnijim, beskonačno ponovno upotrebljivim metalnim predmetima? Njihovo istraživanje postavlja zanimljiva pitanja. Tekući inženjering (i u konačnici tržište) će na njih odgovoriti.
Vrijeme objave: 13. april 2022.
