Το φυσικό ξύλο και το μέταλλο αποτελούν απαραίτητα δομικά υλικά για τον άνθρωπο εδώ και χιλιάδες χρόνια. Τα συνθετικά πολυμερή που ονομάζουμε πλαστικά είναι μια πρόσφατη εφεύρεση που γνώρισε μεγάλη άνθηση τον 20ό αιώνα.
Τόσο τα μέταλλα όσο και τα πλαστικά έχουν ιδιότητες που είναι κατάλληλες για βιομηχανική και εμπορική χρήση. Τα μέταλλα είναι ισχυρά, άκαμπτα και γενικά ανθεκτικά στον αέρα, το νερό, τη θερμότητα και τη συνεχή καταπόνηση. Ωστόσο, απαιτούν επίσης περισσότερους πόρους (που σημαίνει πιο ακριβά) για την παραγωγή και τη βελτίωση των προϊόντων τους. Το πλαστικό παρέχει ορισμένες από τις λειτουργίες του μετάλλου, ενώ απαιτεί λιγότερη μάζα και είναι πολύ φθηνό στην παραγωγή. Οι ιδιότητές τους μπορούν να προσαρμοστούν για σχεδόν οποιαδήποτε χρήση. Ωστόσο, τα φθηνά εμπορικά πλαστικά αποτελούν απαίσια δομικά υλικά: οι πλαστικές συσκευές δεν είναι καλό πράγμα και κανείς δεν θέλει να ζει σε ένα πλαστικό σπίτι. Επιπλέον, συχνά εξευγενίζονται από ορυκτά καύσιμα.
Σε ορισμένες εφαρμογές, το φυσικό ξύλο μπορεί να ανταγωνιστεί τα μέταλλα και τα πλαστικά. Τα περισσότερα οικογενειακά σπίτια είναι χτισμένα με ξύλινο σκελετό. Το πρόβλημα είναι ότι το φυσικό ξύλο είναι πολύ μαλακό και καταστρέφεται πολύ εύκολα από το νερό για να αντικαταστήσει το πλαστικό και το μέταλλο τις περισσότερες φορές. Μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Matter διερευνά τη δημιουργία ενός σκληρυμένου ξύλινου υλικού που ξεπερνά αυτούς τους περιορισμούς. Αυτή η έρευνα κατέληξε στη δημιουργία ξύλινων μαχαιριών και καρφιών. Πόσο καλό είναι το ξύλινο μαχαίρι και θα το χρησιμοποιήσετε σύντομα;
Η ινώδης δομή του ξύλου αποτελείται από περίπου 50% κυτταρίνη, ένα φυσικό πολυμερές με θεωρητικά καλές ιδιότητες αντοχής. Το υπόλοιπο μισό της ξύλινης δομής αποτελείται κυρίως από λιγνίνη και ημικυτταρίνη. Ενώ η κυτταρίνη σχηματίζει μακριές, σκληρές ίνες που παρέχουν στο ξύλο τη ραχοκοκαλιά της φυσικής του αντοχής, η ημικυτταρίνη έχει μικρή συνεκτική δομή και έτσι δεν συμβάλλει καθόλου στην αντοχή του ξύλου. Η λιγνίνη γεμίζει τα κενά μεταξύ των ινών κυτταρίνης και εκτελεί χρήσιμες λειτουργίες για το ζωντανό ξύλο. Αλλά για τον σκοπό των ανθρώπων να συμπιέζουν το ξύλο και να συνδέουν τις ίνες κυτταρίνης του πιο σφιχτά μεταξύ τους, η λιγνίνη έγινε εμπόδιο.
Σε αυτήν τη μελέτη, το φυσικό ξύλο μετατράπηκε σε σκληρυμένο ξύλο (HW) σε τέσσερα βήματα. Αρχικά, το ξύλο βράζεται σε υδροξείδιο του νατρίου και θειικό νάτριο για να αφαιρεθεί μέρος της ημικυτταρίνης και της λιγνίνης. Μετά από αυτή τη χημική επεξεργασία, το ξύλο γίνεται πυκνότερο πιέζοντάς το σε πρέσα για αρκετές ώρες σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό μειώνει τα φυσικά κενά ή τους πόρους στο ξύλο και ενισχύει τη χημική σύνδεση μεταξύ των γειτονικών ινών κυτταρίνης. Στη συνέχεια, το ξύλο συμπιέζεται στους 105° C (221° F) για μερικές ακόμη ώρες για να ολοκληρωθεί η συμπύκνωση και στη συνέχεια ξηραίνεται. Τέλος, το ξύλο βυθίζεται σε ορυκτέλαιο για 48 ώρες για να καταστεί το τελικό προϊόν αδιάβροχο.
Μία μηχανική ιδιότητα ενός δομικού υλικού είναι η σκληρότητα εσοχής, η οποία είναι ένα μέτρο της ικανότητάς του να αντιστέκεται στην παραμόρφωση όταν συμπιέζεται με δύναμη. Το διαμάντι είναι σκληρότερο από τον χάλυβα, σκληρότερο από τον χρυσό, σκληρότερο από το ξύλο και σκληρότερο από τον αφρό συσκευασίας. Μεταξύ των πολλών μηχανικών δοκιμών που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της σκληρότητας, όπως η σκληρότητα Mohs που χρησιμοποιείται στη γεμολογία, η δοκιμή Brinell είναι μία από αυτές. Η ιδέα της είναι απλή: ένα σκληρό μεταλλικό ρουλεμάν πιέζεται στην επιφάνεια δοκιμής με μια ορισμένη δύναμη. Μετρήστε τη διάμετρο της κυκλικής εσοχής που δημιουργείται από την μπάλα. Η τιμή σκληρότητας Brinell υπολογίζεται χρησιμοποιώντας έναν μαθηματικό τύπο. Χονδρικά, όσο μεγαλύτερη είναι η τρύπα που χτυπά η μπάλα, τόσο πιο μαλακό είναι το υλικό. Σε αυτή τη δοκιμή, το HW είναι 23 φορές σκληρότερο από το φυσικό ξύλο.
Το μεγαλύτερο μέρος του ακατέργαστου φυσικού ξύλου απορροφά νερό. Αυτό μπορεί να διαστέλλει το ξύλο και τελικά να καταστρέφει τις δομικές του ιδιότητες. Οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν ένα διήμερο ορυκτό μούλιασμα για να αυξήσουν την αντοχή στο νερό του υλικού θέρμανσης, καθιστώντας το πιο υδρόφοβο («φοβάται το νερό»). Η δοκιμή υδροφοβικότητας περιλαμβάνει την τοποθέτηση μιας σταγόνας νερού σε μια επιφάνεια. Όσο πιο υδρόφοβη είναι η επιφάνεια, τόσο πιο σφαιρικά γίνονται τα σταγονίδια νερού. Μια υδρόφιλη («αγαπά το νερό») επιφάνεια, από την άλλη πλευρά, απλώνει τα σταγονίδια επίπεδα (και στη συνέχεια απορροφά το νερό πιο εύκολα). Επομένως, το ορυκτό μούλιασμα όχι μόνο αυξάνει σημαντικά την υδροφοβικότητα του υλικού θέρμανσης, αλλά και εμποδίζει το ξύλο να απορροφήσει υγρασία.
Σε ορισμένες μηχανικές δοκιμές, τα μαχαίρια HW είχαν ελαφρώς καλύτερη απόδοση από τα μεταλλικά μαχαίρια. Οι συγγραφείς ισχυρίζονται ότι το μαχαίρι HW είναι περίπου τρεις φορές πιο κοφτερό από ένα εμπορικά διαθέσιμο μαχαίρι. Ωστόσο, υπάρχει μια προειδοποίηση σε αυτό το ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Οι ερευνητές συγκρίνουν τα μαχαίρια τραπεζιού ή αυτά που θα μπορούσαμε να ονομάσουμε μαχαίρια βουτύρου. Αυτά δεν προορίζονται να είναι ιδιαίτερα αιχμηρά. Οι συγγραφείς δείχνουν ένα βίντεο με το μαχαίρι τους να κόβει μια μπριζόλα, αλλά ένας αρκετά δυνατός ενήλικας θα μπορούσε πιθανώς να κόψει την ίδια μπριζόλα με την αμβλεία πλευρά ενός μεταλλικού πιρουνιού, και ένα μαχαίρι μπριζόλας θα λειτουργούσε πολύ καλύτερα.
Τι γίνεται με τα καρφιά; Ένα μόνο καρφί HW μπορεί προφανώς να καρφωθεί εύκολα σε μια στοίβα τριών σανίδων, αν και όχι τόσο λεπτομερές όσο είναι σχετικά εύκολο σε σύγκριση με τα σιδερένια καρφιά. Ξύλινοι πασσάλοι μπορούν στη συνέχεια να συγκρατήσουν τις σανίδες ενωμένες, αντιστεκόμενοι στη δύναμη που θα τις έσκιζε, με περίπου την ίδια αντοχή με τους σιδερένιους πασσάλους. Στις δοκιμές τους, ωστόσο, οι σανίδες και στις δύο περιπτώσεις αστόχησαν πριν αστοχήσει οποιοδήποτε από τα καρφιά, επομένως τα ισχυρότερα καρφιά δεν εκτέθηκαν.
Είναι τα καρφιά HW καλύτερα από άλλες απόψεις; Τα ξύλινα καρφιά είναι ελαφρύτερα, αλλά το βάρος της κατασκευής δεν καθορίζεται κυρίως από τη μάζα των καρφιών που τη συγκρατούν. Τα ξύλινα καρφιά δεν σκουριάζουν. Ωστόσο, δεν είναι αδιαπέραστα από το νερό ή τη βιοαποικοδόμηση.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι ο συγγραφέας έχει αναπτύξει μια διαδικασία για να κάνει το ξύλο πιο ανθεκτικό από το φυσικό ξύλο. Ωστόσο, η χρησιμότητα των μεταλλικών εξαρτημάτων για οποιαδήποτε συγκεκριμένη εργασία απαιτεί περαιτέρω μελέτη. Μπορεί να είναι τόσο φθηνό και χωρίς πόρους όσο το πλαστικό; Μπορεί να ανταγωνιστεί ισχυρότερα, πιο ελκυστικά, άπειρα επαναχρησιμοποιήσιμα μεταλλικά αντικείμενα; Η έρευνά τους εγείρει ενδιαφέροντα ερωτήματα. Η συνεχιζόμενη μηχανική (και τελικά η αγορά) θα τα απαντήσει.
Ώρα δημοσίευσης: 13 Απριλίου 2022
