Το φυσικό ξύλο και το μέταλλο είναι απαραίτητα δομικά υλικά για τον άνθρωπο εδώ και χιλιάδες χρόνια. Τα συνθετικά πολυμερή που ονομάζουμε πλαστικά είναι μια πρόσφατη εφεύρεση που εξερράγη τον 20ο 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 να παράγουν και βελτιώνουν τα προϊόντα τους. Το πλαστικό παρέχει μερικές 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 πλαστικά του εμπορίου δημιουργούν τρομερά 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 πλαίσιο. Το πρόβλημα είναι ότι το φυσικό ξύλο είναι πολύ μαλακό και πολύ εύκολα καταστρέφεται από το νερό για να αντικαταστήσει το πλαστικό και το μέταλλο τις περισσότερες φορές. Ένα πρόσφατο χαρτί που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Matter διερευνά τη δημιουργία ενός σκληρυμένου ξύλου 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 είναι κυρίως λιγνίνη και ημικυτταρίνη. Ενώ η κυτταρίνη σχηματίζει μακριές, σκληρές ίνες που παρέχουν στο ξύλο τη ραχοκοκαλιά του φυσικού του αντοχή, η ημικυτταρίνη έχει μικρή συνεκτική δομή και επομένως δεν συνεισφέρει τίποτα στην αντοχή του ξύλου. Η λιγνίνη γεμίζει τα κενά μεταξύ των ινών κυτταρίνης και εκτελεί χρήσιμα καθήκοντα για ζωντανό ξύλο.Αλλά για τον σκοπό των ανθρώπων να συμπιέζουν το ξύλο και να δένουν τις ίνες κυτταρίνης πιο σφιχτά μεταξύ τους, η λιγνίνη έγινε ένα εμπόδιο.
Σε αυτή τη μελέτη, το φυσικό ξύλο κατασκευάστηκε 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 πιο πυκνό με πίεση σε μια πρέσα για αρκετές ώρες σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό μειώνει τα φυσικά κενά ή τους πόρους στο ξύλο και ενισχύει τη χημική σύνδεση μεταξύ γειτονικών ινών κυτταρίνης. Στη συνέχεια, το ξύλο συμπιέζεται στους 105° C (221° F) για μερικές ακόμη ώρες για να ολοκληρωθεί η πύκνωση, και στη συνέχεια στεγνώνεται. Τέλος, το ξύλο βυθίζεται σε ορυκτέλαιο για 48 ώρες για να καταστεί το τελικό προϊόν αδιάβροχο.
Μια μηχανική ιδιότητα ενός δομικού υλικού είναι η σκληρότητα της εσοχής, η οποία είναι ένα μέτρο της ικανότητάς του να αντιστέκεται στην παραμόρφωση όταν πιέζεται με δύναμη. Το διαμάντι είναι σκληρότερο από ατσάλι, σκληρότερο από χρυσό, σκληρότερο από ξύλο και σκληρότερο από αφρό συσκευασίας. δοκιμές 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 συγκεκριμένη δύναμη. Μετρήστε τη διάμετρο του κυκλικού εσοχή που δημιουργείται από τη σφαίρα. Η τιμή σκληρότητας Brinell υπολογίζεται χρησιμοποιώντας έναν μαθηματικό τύπο. χοντρικά, 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 περισσότερο ακατέργαστο φυσικό ξύλο απορροφά νερό. Αυτό μπορεί να επεκτείνει το ξύλο και τελικά να καταστρέψει τις δομικές του ιδιότητες. Οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν ένα ορυκτό εμποτισμό δύο ημερών για να αυξήσουν την αντίσταση στο νερό του HW, καθιστώντας το πιο υδρόφοβο («φοβάται το νερό»). Το τεστ υδροφοβικότητας περιλαμβάνει την τοποθέτηση μιας σταγόνας νερού σε μια επιφάνεια. Όσο πιο υδρόφοβη είναι η επιφάνεια, τόσο πιο σφαιρικές γίνονται τα σταγονίδια νερού. Μια υδρόφιλη («αγαπή του νερού») επιφάνεια, από την άλλη πλευρά, απλώνει τα σταγονίδια επίπεδα (και στη συνέχεια απορροφά το νερό πιο εύκολα). Ως εκ τούτου, το μούλιασμα ορυκτών όχι μόνο αυξάνει σημαντικά την υδροφοβικότητα του HW, αλλά επίσης εμποδίζει το ξύλο να απορροφήσει την υγρασία.
Σε ορισμένες δοκιμές μηχανικής, 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 μαχαίρι που διατίθεται στο εμπόριο. Ωστόσο, υπάρχει μια προειδοποίηση σε αυτό το ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Οι ερευνητές συγκρίνουν τα επιτραπέζια μαχαίρια, ή αυτό 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 τη θαμπή πλευρά ενός μεταλλικού πιρουνιού και ένα μαχαίρι για μπριζόλα θα λειτουργούσε πολύ καλύτερα.
Τι γίνεται με τα καρφιά; Ένα μόνο καρφί HW μπορεί προφανώς να σφυρηλατηθεί εύκολα σε μια στοίβα τριών σανίδων, αν και όχι τόσο λεπτομερές όσο είναι σχετική ευκολία σε σύγκριση με τα σιδερένια καρφιά. Τα ξύλινα μανταλάκια μπορούν στη συνέχεια να κρατήσουν τις σανίδες μαζί, αντιστέκονται στη δύναμη που θα μπορούσε να σχίσει Τα χωρίζουν, με την ίδια περίπου σκληρότητα με τα σιδερένια μανταλάκια. Στις δοκιμές τους, ωστόσο, οι σανίδες και στις δύο περιπτώσεις απέτυχαν πριν χαλάσει κανένα καρφί, επομένως τα ισχυρότερα καρφιά δεν εκτέθηκαν.
Είναι καλύτερα τα καρφιά HW με άλλους τρόπους; Τα ξύλινα μανταλάκια είναι ελαφρύτερα, αλλά το βάρος της δομής δεν καθορίζεται κυρίως από τη μάζα των μανταλιών που το συγκρατούν. Τα ξύλινα μανταλάκια δεν θα σκουριάσουν. Ωστόσο, δεν θα είναι αδιαπέραστα από το νερό ή βιοαποσυντίθενται.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι ο συγγραφέας έχει αναπτύξει μια διαδικασία για να κάνει το ξύλο ισχυρότερο από το φυσικό ξύλο. Ωστόσο, η χρησιμότητα του υλικού για οποιαδήποτε συγκεκριμένη εργασία απαιτεί περαιτέρω μελέτη. Μπορεί να είναι τόσο φθηνό και χωρίς πόρους όσο το πλαστικό; Μπορεί να ανταγωνιστεί με ισχυρότερο , πιο ελκυστικά, απείρως επαναχρησιμοποιήσιμα μεταλλικά αντικείμενα; Η έρευνά τους εγείρει ενδιαφέροντα ερωτήματα. Η συνεχής μηχανική (και τελικά η αγορά) θα τα απαντήσει.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-13-2022
