Naravni les in kovina sta že tisočletja bistvena gradbena materiala za ljudi. Sintetični polimeri, ki jim pravimo plastika, so nedavni izum, ki je doživel eksplozijo v 20. stoletju.
Tako kovine kot plastika imajo lastnosti, ki so zelo primerne za industrijsko in komercialno uporabo. Kovine so močne, toge in na splošno odporne na zrak, vodo, vročino in stalne obremenitve. Vendar pa za proizvodnjo in izboljšanje svojih izdelkov potrebujejo tudi več virov (kar pomeni, da so dražji). Plastika zagotavlja nekatere funkcije kovine, hkrati pa zahteva manjšo maso in je zelo poceni za proizvodnjo. Njihove lastnosti je mogoče prilagoditi za skoraj vsako uporabo. Vendar pa so poceni komercialne plastike grozni konstrukcijski materiali: plastični aparati niso dobra stvar in nihče noče živeti v plastični hiši. Poleg tega so pogosto predelane iz fosilnih goriv.
V nekaterih primerih lahko naravni les konkurira kovinam in plastiki. Večina družinskih hiš je zgrajenih na lesenih okvirjih. Težava je v tem, da je naravni les premehak in ga voda prelahko poškoduje, da bi večino časa nadomestil plastiko in kovino. Nedavni članek, objavljen v reviji Matter, raziskuje ustvarjanje utrjenega lesenega materiala, ki premaga te omejitve. Ta raziskava je dosegla vrhunec z izdelavo lesenih nožev in žebljev. Kako dober je lesen nož in ali ga boste kmalu uporabili?
Vlaknasta struktura lesa je sestavljena iz približno 50 % celuloze, naravnega polimera s teoretično dobrimi trdnostnimi lastnostmi. Preostala polovica lesene strukture je predvsem lignin in hemiceluloza. Medtem ko celuloza tvori dolga, trda vlakna, ki lesu zagotavljajo ogrodje njegove naravne trdnosti, ima hemiceluloza malo koherentne strukture in zato ne prispeva k trdnosti lesa. Lignin zapolnjuje praznine med celuloznimi vlakni in opravlja koristne naloge za živi les. Toda za človeški namen zbijanja lesa in tesnejšega povezovanja celuloznih vlaken je lignin postal ovira.
V tej študiji je bil naravni les v štirih korakih predelan v utrjen les (HW). Najprej se les kuha v natrijevem hidroksidu in natrijevem sulfatu, da se odstrani nekaj hemiceluloze in lignina. Po tej kemični obdelavi les postane gostejši, če ga nekaj ur stiskamo v stiskalnici pri sobni temperaturi. To zmanjša naravne reže ali pore v lesu in izboljša kemično vez med sosednjimi celuloznimi vlakni. Nato se les še nekaj ur izpostavlja tlaku 105 °C (221 °F), da se dokonča zgoščevanje, nato pa se posuši. Na koncu se les za 48 ur potopi v mineralno olje, da končni izdelek postane vodoodporen.
Ena od mehanskih lastnosti konstrukcijskega materiala je trdota pri vdolbini, ki je merilo njegove sposobnosti, da se upre deformaciji pri stiskanju s silo. Diamant je trši od jekla, trši od zlata, trši od lesa in trši od polnilne pene. Med številnimi inženirskimi testi, ki se uporabljajo za določanje trdote, kot je Mohsova trdota, ki se uporablja v gemologiji, je Brinell test eden izmed njih. Njegov koncept je preprost: kroglični ležaj iz trde kovine se z določeno silo stisne v preskusno površino. Izmerite premer krožne vdolbine, ki jo ustvari kroglica. Vrednost trdote po Brinellu se izračuna z matematično formulo; grobo rečeno, večja kot je luknja, v katero kroglica zadene, mehkejši je material. V tem testu je HW 23-krat trši od naravnega lesa.
Večina neobdelanega naravnega lesa bo absorbirala vodo. To lahko les razširi in sčasoma uniči njegove strukturne lastnosti. Avtorji so uporabili dvodnevno namakanje z minerali, da bi povečali vodoodpornost lesa, zaradi česar je postal bolj hidrofoben ("boji se vode"). Preizkus hidrofobnosti vključuje kapljanje kapljice vode na površino. Bolj kot je površina hidrofobna, bolj okrogle postanejo kapljice vode. Hidrofilna ("ljubeča vodo") površina pa kapljice razporedi po površini (in posledično lažje absorbira vodo). Zato namakanje z minerali ne le znatno poveča hidrofobnost lesa, ampak tudi preprečuje, da bi les absorbiral vlago.
V nekaterih inženirskih testih so se noži HW odrezali nekoliko bolje kot kovinski noži. Avtorji trdijo, da je nož HW približno trikrat oster kot komercialno dostopni nož. Vendar pa obstaja pri tem zanimivem rezultatu opozorilo. Raziskovalci primerjajo namizne nože ali tisto, čemur bi lahko rekli noži za maslo. Ti niso namenjeni temu, da bi bili posebej ostri. Avtorji prikazujejo videoposnetek, na katerem njihov nož reže zrezek, vendar bi razmeroma močna odrasla oseba verjetno lahko isti zrezek odrezala s topo stranjo kovinskih vilic, nož za zrezek pa bi deloval veliko bolje.
Kaj pa žeblji? En sam HW žebelj je očitno mogoče enostavno zabiti v kup treh desk, čeprav ni tako natančno, saj je relativno enostavno v primerjavi z železnimi žeblji. Leseni kljukice lahko nato držijo deske skupaj in se uprejo sili, ki bi jih raztrgala, s približno enako trdnostjo kot železne kljukice. Vendar pa so v njihovih testih deske v obeh primerih odpovedale, preden se je odpovedal kateri koli žebelj, zato močnejši žeblji niso bili izpostavljeni.
Ali so HW žeblji boljši tudi na druge načine? Leseni kljukice so lažje, vendar teža konstrukcije ni v prvi vrsti odvisna od mase kljukic, ki jo držijo skupaj. Lesene kljukice ne bodo rjavele. Vendar pa ne bodo neprepustne za vodo ali biorazgradnjo.
Ni dvoma, da je avtor razvil postopek, s katerim je les močnejši od naravnega lesa. Vendar pa uporabnost strojne opreme za katero koli določeno delo zahteva nadaljnje raziskave. Ali je lahko tako poceni in brez virov kot plastika? Ali se lahko kosa z močnejšimi, privlačnejšimi, neskončno ponovno uporabnimi kovinskimi predmeti? Njihova raziskava sproža zanimiva vprašanja. Nanje bo odgovorilo nadaljnje inženirstvo (in navsezadnje trg).
Čas objave: 13. april 2022
