Lemnul și metalul natural au fost materiale de construcție esențiale pentru oameni timp de mii de ani. Polimerii sintetici pe care îi numim materiale plastice sunt o invenție recentă care a explodat în secolul al XX-lea.
Atât metalele, cât și materialele plastice au proprietăți potrivite pentru uz industrial și comercial. Metalele sunt puternice, rigide și, în general, rezistente la aer, apă, căldură și stres constant. Cu toate acestea, ele necesită și mai multe resurse (ceea ce înseamnă că sunt mai scumpe) pentru a produce și rafina produsele lor. Plasticul oferă unele dintre funcțiile metalului, necesitând în același timp o masă mai mică și fiind foarte ieftin de produs. Proprietățile lor pot fi personalizate pentru aproape orice utilizare. Cu toate acestea, materialele plastice comerciale ieftine sunt materiale structurale groaznice: electrocasnicele din plastic nu sunt un lucru bun și nimeni nu vrea să locuiască într-o casă din plastic. În plus, acestea sunt adesea rafinate din combustibili fosili.
În unele aplicații, lemnul natural poate concura cu metalele și materialele plastice. Majoritatea caselor de familie sunt construite pe structură din lemn. Problema este că lemnul natural este prea moale și prea ușor de deteriorat de apă pentru a înlocui plasticul și metalul de cele mai multe ori. O lucrare recentă publicată în revista Matter explorează crearea unui material din lemn întărit care depășește aceste limitări. Această cercetare a culminat cu crearea de cuțite și cuie din lemn. Cât de bun este cuțitul din lemn și îl veți folosi în curând?
Structura fibroasă a lemnului este formată din aproximativ 50% celuloză, un polimer natural cu proprietăți de rezistență teoretice bune. Restul jumătății structurii lemnoase este în principal lignină și hemiceluloză. În timp ce celuloza formează fibre lungi și rezistente care oferă lemnului coloana vertebrală a rezistenței sale naturale, hemiceluloza are o structură puțin coerentă și, prin urmare, nu contribuie cu nimic la rezistența lemnului. Lignina umple golurile dintre fibrele de celuloză și îndeplinește sarcini utile pentru lemnul viu. Dar, pentru scopul oamenilor de a compacta lemnul și de a lega fibrele de celuloză mai strâns între ele, lignina a devenit un obstacol.
În acest studiu, lemnul natural a fost transformat în lemn călit (HW) în patru etape. Mai întâi, lemnul este fiert în hidroxid de sodiu și sulfat de sodiu pentru a îndepărta o parte din hemiceluloză și lignină. După acest tratament chimic, lemnul devine mai dens prin presare într-o presă timp de câteva ore la temperatura camerei. Acest lucru reduce golurile sau porii naturali din lemn și îmbunătățește legătura chimică dintre fibrele de celuloză adiacente. Apoi, lemnul este presurizat la 105° C (221° F) timp de încă câteva ore pentru a finaliza densificarea, apoi uscat. În cele din urmă, lemnul este scufundat în ulei mineral timp de 48 de ore pentru a face produsul finit impermeabil.
O proprietate mecanică a unui material structural este duritatea la indentare, care este o măsură a capacității sale de a rezista la deformare atunci când este comprimat cu forță. Diamantul este mai dur decât oțelul, mai dur decât aurul, mai dur decât lemnul și mai dur decât spuma de ambalare. Printre numeroasele teste inginerești utilizate pentru a determina duritatea, cum ar fi duritatea Mohs utilizată în gemologie, testul Brinell este unul dintre ele. Conceptul său este simplu: un rulment cu bile din metal dur este presat în suprafața de testare cu o anumită forță. Măsurați diametrul indentației circulare create de bilă. Valoarea durității Brinell se calculează folosind o formulă matematică; aproximativ, cu cât gaura pe care o lovește bila este mai mare, cu atât materialul este mai moale. În acest test, HW este de 23 de ori mai dur decât lemnul natural.
Majoritatea lemnului natural netratat va absorbi apa. Acest lucru poate dilata lemnul și, în cele din urmă, îi poate distruge proprietățile structurale. Autorii au folosit o înmuiere minerală de două zile pentru a crește rezistența la apă a lemnului de construcție (HW), făcându-l mai hidrofob („temă de apă”). Testul de hidrofobicitate implică plasarea unei picături de apă pe o suprafață. Cu cât suprafața este mai hidrofobă, cu atât picăturile de apă devin mai sferice. O suprafață hidrofilă („iubitoare de apă”), pe de altă parte, răspândește picăturile plate (și, ulterior, absoarbe apa mai ușor). Prin urmare, înmuierea minerală nu numai că crește semnificativ hidrofobicitatea HW, dar previne și absorbția umezelii de către lemn.
În unele teste inginerești, cuțitele HW au avut performanțe puțin mai bune decât cuțitele metalice. Autorii susțin că un cuțit HW este de aproximativ trei ori mai ascuțit decât un cuțit disponibil în comerț. Cu toate acestea, există o avertizare la acest rezultat interesant. Cercetătorii compară cuțitele de masă sau ceea ce am putea numi cuțite de unt. Acestea nu sunt menite să fie deosebit de ascuțite. Autorii arată un videoclip cu cuțitul lor tăind o friptură, dar un adult destul de puternic ar putea tăia probabil aceeași friptură cu partea tocită a unei furculițe metalice, iar un cuțit de friptură ar funcționa mult mai bine.
Dar cuiele? Un singur cui din lemn dur poate fi ușor bătut cu ciocanul într-o stivă de trei scânduri, deși nu este la fel de detaliat ca și cum ar fi relativ ușor în comparație cu cuiele de fier. Cuiele de lemn pot apoi ține scândurile împreună, rezistând forței care le-ar rupe, cu aproximativ aceeași rezistență ca și cuiele de fier. În testele lor, însă, scândurile din ambele cazuri au cedat înainte ca oricare dintre cuie să cedeze, astfel încât cuiele mai rezistente nu au fost expuse.
Sunt cuiele HW mai bune în alte privințe? Cuiele de lemn sunt mai ușoare, dar greutatea structurii nu este determinată în primul rând de masa cuielor care o țin împreună. Cuiele de lemn nu vor rugini. Cu toate acestea, nu vor fi impermeabile la apă sau la biodescompunere.
Nu există nicio îndoială că autorul a dezvoltat un proces pentru a face lemnul mai rezistent decât lemnul natural. Cu toate acestea, utilitatea feroneriei pentru orice anumită lucrare necesită studii suplimentare. Poate fi la fel de ieftin și fără resurse ca plasticul? Poate concura cu obiecte metalice mai rezistente, mai atractive și infinit reutilizabile? Cercetările lor ridică întrebări interesante. Ingineria continuă (și, în cele din urmă, piața) va răspunde la ele.
Data publicării: 13 aprilie 2022
