Naturligt trä och metall har varit viktiga byggmaterial för människor i tusentals år. De syntetiska polymererna vi kallar plaster är en ny uppfinning som exploderade på 1900-talet.
Både metaller och plaster har egenskaper som är väl lämpade för industriell och kommersiell användning. Metaller är starka, styva och generellt motståndskraftiga mot luft, vatten, värme och konstant stress. Men de kräver också mer resurser (vilket innebär dyrare) för att producera och förfina sina produkter.Plast ger några av metallens funktioner samtidigt som den kräver mindre massa och är mycket billig att producera.Deras egenskaper kan anpassas för nästan alla användningsområden.Men billig kommersiell plast gör fruktansvärda strukturella material: plastapparater är inte en bra, och ingen vill bo i ett plasthus. Dessutom förädlas de ofta från fossila bränslen.
I vissa applikationer kan naturligt trä konkurrera med metaller och plaster. De flesta familjehem är byggda på träram. Problemet är att naturligt trä är för mjukt och för lätt att skadas av vatten för att ersätta plast och metall för det mesta. En färsk tidning publicerad i tidskriften Matter utforskar skapandet av ett härdat trämaterial som övervinner dessa begränsningar. Den här forskningen kulminerade i skapandet av träknivar och spikar. Hur bra är träkniven och kommer du att använda den snart?
Träets fibrösa struktur består av cirka 50 % cellulosa, en naturlig polymer med teoretiskt goda hållfasthetsegenskaper. Den återstående hälften av trästrukturen är huvudsakligen lignin och hemicellulosa. Medan cellulosa bildar långa, sega fibrer som ger trä ryggraden i dess naturliga styrka, hemicellulosa har liten sammanhängande struktur och bidrar därmed ingenting 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 gjordes naturligt trä till härdat trä (HW) i fyra steg. Först kokas träet i natriumhydroxid och natriumsulfat för att avlägsna en del av hemicellulosa och lignin. Efter denna kemiska behandling blir träet tätare genom att pressa det i en press i flera timmar vid rumstemperatur. Detta minskar de naturliga luckorna eller porerna i träet och förbättrar den kemiska bindningen mellan intilliggande cellulosafibrer. Därefter trycksätts träet vid 105 ° C (221 ° F) i några till timmar för att slutföra förtätningen och torkas sedan. Slutligen sänks träet i mineralolja i 48 timmar för att göra den färdiga produkten vattentät.
En mekanisk egenskap hos ett konstruktionsmaterial 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 teknikerna 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 kullager av hårdmetall pressas in i testytan med en viss kraft. Mät diametern på den cirkulära fördjupning skapad av kulan. Brinells hårdhetsvärde beräknas med hjälp av en matematisk formel; grovt sett gäller att ju större hål bollen träffar, desto mjukare är materialet. I detta test är HW 23 gånger hårdare än naturligt trä.
Det mesta av obehandlat naturligt trä kommer att absorbera vatten. Detta kan expandera träet och så småningom förstöra dess strukturella egenskaper. Författarna använde en tvådagars mineralblötläggning för att öka vattenmotståndet hos HW, vilket gör det mer hydrofobt ("rädd för vatten"). Hydrofobicitetstestet innebär att man placerar en droppe vatten på en yta. Ju mer hydrofob yta, desto mer sfäriska blir vattendropparna. En hydrofil ("vattenälskande") yta däremot sprider dropparna platt (och därefter absorberar vatten lättare). Därför ökar mineralblötläggning inte bara avsevärt hydrofobiciteten hos HW, utan hindrar också träet från att absorbera fukt.
I vissa tekniska tester presterade HW-knivar något bättre än metallknivar. Författarna hävdar att HW-kniven är ungefär tre gånger så vass som en kommersiellt tillgänglig kniv. Det finns dock en varning till detta intressanta resultat. Forskare jämför bordsknivar, eller vad vi kan kalla smörknivar. Dessa är inte avsedda att vara särskilt vassa. Författarna visar en video där deras kniv skär en biff, men en lagom stark vuxen skulle förmodligen kunna skära samma biff med den matta sidan av en metallgaffel, och en stekkniv skulle fungera mycket bättre.
Hur är det med spikarna? En enda HW-spik kan tydligen enkelt hamras i en stapel med tre plankor, även om det inte är lika detaljerat eftersom det är relativt enkelt jämfört med järnspik. Träpinnar kan sedan hålla ihop plankorna och motstå kraften som skulle slita sönder. dem isär, med ungefär samma seghet som järnpinnar. I deras tester misslyckades dock brädorna i båda fallen innan någon av spikarna gick sönder, så de starkare spikarna exponerades inte.
Är HW-spik bättre på andra sätt?Träpinnar är lättare, men vikten av strukturen drivs inte i första hand av massan av pinnarna som håller ihop den.Träpinnar rostar inte. Däremot blir de inte ogenomträngliga för vatten eller biologiskt sönderfalla.
Det råder ingen tvekan om att författaren har utvecklat en process för att göra trä starkare än naturligt trä. Men användbarheten av hårdvara för ett visst jobb kräver ytterligare studier. Kan det vara lika billigt och resurslöst som plast? Kan det konkurrera med starkare , mer attraktiva, oändligt återanvändbara metallföremål? Deras forskning väcker intressanta frågor. Pågående ingenjörskonst (och i slutändan marknaden) kommer att besvara dem.
Posttid: 2022-04-13
