Naturligt trä och metall har varit viktiga byggmaterial för människor i tusentals år. De syntetiska polymerer vi kallar plast är en ny uppfinning som exploderade under 1900-talet.
Både metaller och plaster har egenskaper som är väl lämpade för industriellt och kommersiellt bruk. Metaller är starka, styva och generellt motståndskraftiga mot luft, vatten, värme och konstant stress. De kräver dock också mer resurser (vilket betyder dyrare) för att producera och förfina sina produkter. Plast har några av metallens funktioner samtidigt som den kräver mindre massa och är mycket billig att producera. Deras egenskaper kan anpassas för nästan alla användningsområden. Billig kommersiell plast är dock hemska strukturmaterial: plastapparater är inte bra, och ingen vill bo i ett plasthus. Dessutom förädlas de ofta från fossila bränslen.
I vissa tillämpningar kan naturligt trä konkurrera med metaller och plaster. De flesta enfamiljshus är byggda med trästomme. Problemet är att naturligt trä är för mjukt och för lätt skadat av vatten för att ersätta plast och metall för det mesta. En nyligen publicerad artikel i tidskriften Matter utforskar skapandet av ett härdat trämaterial som övervinner dessa begränsningar. Denna forskning kulminerade i skapandet av träknivar och spikar. Hur bra är träkniven och kommer du att använda den inom en snar framtid?
Träets fiberstruktur består av ungefär 50 % cellulosa, en naturlig polymer med teoretiskt goda hållfasthetsegenskaper. Den återstående hälften av trästrukturen består huvudsakligen av lignin och hemicellulosa. Medan cellulosa bildar långa, sega fibrer som ger träet dess naturliga styrka, har hemicellulosa liten sammanhängande struktur och bidrar därmed inte till träets styrka. Lignin fyller tomrummen mellan cellulosafibrer och utför användbara uppgifter för levande trä. Men för människors syfte att komprimera trä och binda dess cellulosafibrer tätare samman blev lignin ett hinder.
I denna studie bearbetades naturligt trä till härdat trä (HW) i fyra steg. Först kokas träet i natriumhydroxid och natriumsulfat för att avlägsna en del av hemicellulosan och ligninet. Efter denna kemiska behandling blir träet tätare genom att pressa det i en press i flera timmar vid rumstemperatur. Detta minskar de naturliga mellanrummen eller porerna i träet och förbättrar den kemiska bindningen mellan intilliggande cellulosafibrer. Därefter trycksätts träet vid 105 °C (221 °F) i ytterligare några timmar för att fullborda förtätningen och torkas sedan. Slutligen doppas träet i mineralolja i 48 timmar för att göra den färdiga produkten vattentät.
En mekanisk egenskap hos ett strukturmaterial är intryckningshårdhet, vilket är ett mått på dess förmåga att motstå deformation när den pressas med kraft. Diamant är hårdare än stål, hårdare än guld, hårdare än trä och hårdare än packskum. Bland de många tekniska tester som används för att bestämma hårdhet, såsom Mohs-hårdheten som används inom gemologi, är Brinell-testet ett av dem. Dess koncept är enkelt: ett hårdmetallkullager pressas in i testytan med en viss kraft. Mät diametern på den cirkulära intryckningen som skapas av kulan. Brinell-hårdhetsvärdet beräknas med hjälp av en matematisk formel; grovt sett, ju större hål kulan träffar, desto mjukare är materialet. I detta test är HW 23 gånger hårdare än naturligt trä.
Det mesta obehandlade naturliga träet absorberar vatten. Detta kan expandera träet och så småningom förstöra dess strukturella egenskaper. Författarna använde en två dagar lång mineralblötläggning för att öka vattenbeständigheten hos träet, vilket gör det mer hydrofobt ("vattenrädd"). Hydrofobicitetstestet innebär att man placerar en droppe vatten på en yta. Ju mer hydrofob ytan är, desto mer sfäriska blir vattendropparna. En hydrofil ("vattenälskande") yta, å andra sidan, sprider dropparna platt (och absorberar därefter vatten lättare). Därför ökar mineralblötläggning inte bara träets hydrofobicitet avsevärt, utan förhindrar också träet från att absorbera fukt.
I vissa tekniska tester presterade hårdvaruknivar något bättre än metallknivar. Författarna hävdar att hårdvarukniven är ungefär tre gånger så vass som en kommersiellt tillgänglig kniv. Det finns dock en förbehåll för detta intressanta resultat. Forskare jämför bordsknivar, eller vad vi skulle kunna kalla smörknivar. Dessa är inte avsedda att vara särskilt vassa. Författarna visar en video av deras kniv som skär en biff, men en någorlunda stark vuxen skulle förmodligen kunna skära samma biff med den slöa sidan av en metallgaffel, och en stekkniv skulle fungera mycket bättre.
Hur är det med spikarna? En enda hårdvaruspik kan tydligen enkelt slås in i en stapel av tre plankor, men inte lika detaljerat som relativt enkelt jämfört med järnspik. Träpluggar kan sedan hålla ihop plankorna och motstå kraften som skulle riva isär dem, med ungefär samma seghet som järnpluggar. I deras tester gick dock plankorna i båda fallen sönder innan någon av spikarna gick sönder, så de starkare spikarna exponerades inte.
Är hårdvaruspik bättre på andra sätt? Träpinnar är lättare, men konstruktionens vikt drivs inte primärt av massan på pinnarna som håller ihop den. Träpinnar rostar inte. De är dock inte ogenomträngliga för vatten eller biologiskt nedbrytbara.
Det råder ingen tvekan om att författaren har utvecklat en process för att göra trä starkare än naturligt trä. Användbarheten av hårdvara för ett specifikt jobb kräver dock ytterligare studier. Kan det vara lika billigt och resurslöst som plast? Kan det konkurrera med starkare, mer attraktiva och oändligt återanvändbara metallföremål? Deras forskning väcker intressanta frågor. Pågående ingenjörskonst (och i slutändan marknaden) kommer att besvara dem.
Publiceringstid: 13 april 2022
