Naravni les in kovina sta že tisočletja bistvena gradbena materiala za ljudi. Sintetični polimeri, ki jih imenujemo plastika, so nedavni izum, ki je eksplodiral 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 nenehne obremenitve. Vendar pa potrebujejo tudi več virov (kar pomeni dražje) za proizvajajo in izpopolnjujejo svoje izdelke. Plastika zagotavlja nekatere funkcije kovine, medtem ko zahteva manj mase in je zelo poceni za proizvodnjo. Njihove lastnosti je mogoče prilagoditi za skoraj vsako uporabo. Vendar pa so poceni komercialne plastike grozni strukturni materiali: plastični aparati niso dobra stvar, in nihče ne želi živeti v plastični hiši. Poleg tega so pogosto rafinirani iz fosilnih goriv.
V nekaterih aplikacijah lahko naravni les tekmuje s kovinami in plastiko. Večina družinskih hiš je zgrajenih na lesenem okvirju. Težava je v tem, da je naravni les premehak in ga voda prelahko poškoduje, da bi večino časa nadomestil plastiko in kovino. Nedavni članek objavljeno v reviji Matter raziskuje ustvarjanje utrjenega lesenega materiala, ki presega te omejitve. Ta raziskava je dosegla vrhunec z ustvarjanjem lesenih nožev in žebljev. Kako dober je leseni nož in ali ga boste kmalu uporabljali?
Vlaknasta struktura lesa je sestavljena iz približno 50 % celuloze, naravnega polimera s teoretično dobrimi trdnostnimi lastnostmi. Preostala polovica lesene strukture je v glavnem lignin in hemiceluloza. Medtem ko celuloza tvori dolga, žilava vlakna, ki dajejo lesu hrbtenico njegove naravne ima hemiceluloza malo koherentne strukture in zato nič ne prispeva k trdnosti lesa. Lignin zapolnjuje praznine med celuloznimi vlakni in opravlja uporabne naloge za živi les. Toda za človeški namen stiskanja lesa in tesnejšega povezovanja celuloznih vlaken je lignin postal ovira.
V tej študiji je bil naravni les predelan v utrjen les (HW) v štirih korakih. Najprej se les prekuha v natrijevem hidroksidu in natrijevem sulfatu, da se odstrani nekaj hemiceluloze in lignina. Po tej kemični obdelavi postane les s stiskanjem gostejši ga v stiskalnici nekaj ur pri sobni temperaturi. To zmanjša naravne vrzeli ali pore v lesu in poveča kemično vez med sosednjimi celuloznimi vlakni. Nato je les še nekaj časa pod pritiskom pri 105 °C (221 °F). ure do popolne zgostitve in nato posušen. Nazadnje je les za 48 ur potopljen v mineralno olje, da postane končni izdelek vodotesen.
Ena mehanska lastnost strukturnega materiala je trdota vdolbine, ki je merilo njegove sposobnosti, da se upre deformaciji, ko ga stisnemo s silo. Diamant je trši od jekla, trši od zlata, trši od lesa in trši od penaste mase. Med številnimi inženirskimi testi, ki se uporabljajo za določanje trdote, kot je Mohsova trdota, ki se uporablja v gemologiji, Brinellov test je eden izmed njih. Njegov koncept je preprost: kroglični ležaj iz trde kovine je pritisnjen na preskusno površino z določeno silo. Izmerite premer krožnega vdolbina, ki jo ustvari kroglica. Vrednost trdote po Brinellu se izračuna z uporabo matematične formule; grobo povedano, v večjo luknjo kot žogica zadene, mehkejši je material. V tem testu je HW 23-krat trši od naravnega lesa.
Večina neobdelanega naravnega lesa bo absorbirala vodo. To lahko razširi les in sčasoma uniči njegove strukturne lastnosti. Avtorji so uporabili dvodnevno namakanje z minerali, da bi povečali vodoodpornost HW, zaradi česar je bolj hidrofoben (»boj se vode«). Preskus hidrofobnosti vključuje postavitev kapljice vode na površino. Bolj ko je površina hidrofobna, bolj sferične postanejo vodne kapljice. Po drugi strani pa hidrofilna (»vodoljubna«) površina razporedi kapljice po ravnini (in nato lažje vpija vodo).Zato namakanje z minerali ne samo bistveno poveča hidrofobnost HW, temveč tudi prepreči, da bi les absorbiral vlago.
V nekaterih inženirskih testih so se noži HW izkazali nekoliko bolje kot kovinski noži. Avtorji trdijo, da je nož HW približno trikrat ostrejši od komercialno dostopnih nožev. Vendar pa je pri tem zanimivem rezultatu opozorilo. Raziskovalci primerjajo namizne nože, ali kar bi lahko imenovali noži za maslo. Niso mišljeni, da bi bili posebej ostri. Avtorji prikazujejo videoposnetek svojega noža, kako reže zrezek, vendar bi razmeroma močna odrasla oseba verjetno lahko prerezala isti zrezek s topo stranjo kovinskih vilic in nož za zrezke bi bil veliko boljši.
Kaj pa žeblji? En sam HW žebelj je očitno mogoče zlahka zabiti v kup treh desk, čeprav ni tako podrobno, kot je relativno enostavno v primerjavi z železnimi žeblji. Leseni zatiči lahko nato držijo deske skupaj in se upirajo sili, ki bi se strgala narazen, s približno enako žilavostjo kot železni klini. V njihovih testih pa sta deski v obeh primerih odpovedali, preden je odpovedal kateri koli žebelj, tako da močnejši žeblji niso bili izpostavljeni.
Ali so žeblji HW boljši v drugih pogledih? Leseni zatiči so lažji, vendar teža konstrukcije ni odvisna predvsem od mase zatičev, ki jo držijo skupaj. Leseni zatiči ne bodo rjaveli. Vendar pa ne bodo neprepustni za vodo ali biološko razgraditi.
Nobenega dvoma ni, da je avtor razvil postopek za izdelavo lesa, ki je močnejši od naravnega lesa. Vendar uporabnost strojne opreme za vsako posamezno delo zahteva nadaljnje študije. Ali je lahko tako poceni in manj virov kot plastika? Ali lahko tekmuje z močnejšimi , privlačnejši kovinski predmeti, ki jih je mogoče neskončno večkrat uporabiti? Njihove raziskave odpirajo zanimiva vprašanja. Tekoči inženiring (in navsezadnje trg) bo nanje odgovoril.
Čas objave: 13. aprila 2022
