Náttúrulegt við og málmur hafa verið nauðsynleg byggingarefni fyrir mannkynið í þúsundir ára. Tilbúnu fjölliðurnar sem við köllum plast eru nýleg uppfinning sem sprakk út á 20. öld.
Bæði málmar og plast hafa eiginleika sem henta vel til iðnaðar- og viðskiptanota. Málmar eru sterkir, stífir og almennt þolnir gegn lofti, vatni, hita og stöðugu álagi. Hins vegar þurfa þeir einnig meiri auðlindir (sem þýðir dýrara) til að framleiða og hreinsa vörur sínar. Plast hefur suma af virkni málms en þarfnast minni massa og er mjög ódýrt í framleiðslu. Eiginleikar þeirra er hægt að aðlaga að nánast hvaða notkun sem er. Hins vegar eru ódýrir plastar úr atvinnuhúsnæði hræðileg byggingarefni: plasttæki eru ekki góð og enginn vill búa í plasthúsi. Að auki eru þeir oft hreinsaðir úr jarðefnaeldsneyti.
Í sumum tilfellum getur náttúrulegt við keppt við málma og plast. Flest fjölskylduhús eru byggð með timburgrind. Vandamálið er að náttúrulegt við er of mjúkt og skemmist of auðveldlega af vatni til að koma í stað plasts og málms, oftast. Nýleg grein sem birtist í tímaritinu Matter kannar sköpun herðs viðarefnis sem sigrast á þessum takmörkunum. Þessi rannsókn leiddi til sköpunar á tréhnífum og naglum. Hversu góður er tréhnífurinn og munt þú nota hann fljótlega?
Trefjabygging viðar samanstendur af um það bil 50% sellulósa, náttúrulegu fjölliðu með fræðilega góða styrkleika. Eftirstandandi helmingur viðarbyggingarinnar er aðallega lignín og hemísellulósi. Þó sellulósi myndi langar, sterkar trefjar sem veita viðnum hryggjarstykki náttúrulegs styrks síns, hefur hemísellulósi litla samhangandi uppbyggingu og leggur því ekkert af mörkum til styrks viðarins. Lignín fyllir holrýmið milli sellulósatrefja og sinnir gagnlegum verkefnum fyrir lifandi við. En í þeim tilgangi að þjappa við og binda sellulósatrefjar hans þéttar saman varð lignín hindrun.
Í þessari rannsókn var náttúrulegt við breytt í hert við (HW) í fjórum skrefum. Fyrst er viðurinn soðinn í natríumhýdroxíði og natríumsúlfati til að fjarlægja hluta af hemísellulósanum og ligníninu. Eftir þessa efnameðferð verður viðurinn þéttari með því að þrýsta honum í pressu í nokkrar klukkustundir við stofuhita. Þetta minnkar náttúruleg eyður eða svitaholur í viðnum og eykur efnasamsetningu milli aðliggjandi sellulósatrefja. Næst er viðurinn þrýstist við 105°C (221°F) í nokkrar klukkustundir í viðbót til að ljúka þéttingu og síðan þurrkaður. Að lokum er viðurinn dýftur í steinefnaolíu í 48 klukkustundir til að gera fullunna vöruna vatnshelda.
Einn vélrænn eiginleiki byggingarefnis er inndráttarhörka, sem er mælikvarði á getu þess til að standast aflögun þegar hann er kreistur með krafti. Demantur er harðari en stál, harðari en gull, harðari en tré og harðari en froða. Meðal margra verkfræðiprófa sem notaðar eru til að ákvarða hörku, svo sem Mohs hörku sem notuð er í steinefnafræði, er Brinell prófið eitt af þeim. Hugmyndin er einföld: kúlulegur úr hörðu málmi er þrýst inn í prófunaryfirborðið með ákveðnum krafti. Mælið þvermál hringlaga inndráttarins sem kúlan myndar. Brinell hörkugildið er reiknað með stærðfræðilegri formúlu; gróflega séð, því stærra sem gatið sem kúlan lendir í, því mýkra er efnið. Í þessu prófi er hörkuþol 23 sinnum harðara en náttúrulegt tré.
Flest ómeðhöndluð náttúruleg viðartegund drekkur í sig vatn. Þetta getur þanið út viðinn og að lokum eyðilagt byggingareiginleika hans. Höfundarnir notuðu tveggja daga steinefnableytingu til að auka vatnsþol viðarins, sem gerir hann vatnsfælnari („hrættan við vatn“). Vatnsfælniprófið felur í sér að setja vatnsdropa á yfirborð. Því vatnsfælnari sem yfirborðið er, því kúlulaga verða vatnsdroparnir. Vatnssækið („vatnselskandi“) yfirborð, hins vegar, dreifir dropunum flatt (og drekkur síðan í sig vatn auðveldar). Þess vegna eykur steinefnableyting ekki aðeins vatnsfælni viðarins verulega, heldur kemur einnig í veg fyrir að viðurinn drekki í sig raka.
Í sumum verkfræðiprófunum stóðu vélrænir hnífar sig örlítið betur en málmhnífar. Höfundarnir fullyrða að vélræni hnífurinn sé um þrisvar sinnum beittur en hnífur sem fást í verslunum. Hins vegar er fyrirvari við þessa áhugaverðu niðurstöðu. Rannsakendur eru að bera saman borðhnífa, eða það sem við gætum kallað smjörhnífa. Þessir eru ekki ætlaðir að vera sérstaklega beittir. Höfundarnir sýna myndband af hnífnum sínum að skera steik, en tiltölulega sterkur fullorðinn gæti líklega skorið sömu steik með sljóri hlið málmgaffils, og steikhnífur myndi virka mun betur.
Hvað með naglana? Einn HW nagla virðist auðvelt að hamra í stafla af þremur plönkum, þó ekki eins nákvæmt og það er tiltölulega auðvelt miðað við járnnagla. Trépinnar geta þá haldið plönkunum saman, og staðist kraftinn sem myndi rífa þá í sundur, með svipaðri seiglu og járnpinnar. Í prófunum þeirra biluðu þó borðin í báðum tilvikum áður en annar hvor naglinn bilaði, þannig að sterkari naglarnir komust ekki í ljós.
Eru HW-naglar betri á annan hátt? Trépinnar eru léttari, en þyngd mannvirkisins er ekki fyrst og fremst knúin áfram af massa pinnanna sem halda því saman. Trépinnar ryðga ekki. Hins vegar verða þeir ekki ónæmir fyrir vatni eða lífrænum niðurbroti.
Það er enginn vafi á því að höfundurinn hefur þróað aðferð til að gera við sterkari en náttúrulegt við. Hins vegar krefst notagildi vélbúnaðar fyrir hvaða verkefni sem er frekari rannsókna. Getur það verið eins ódýrt og auðlindalítið og plast? Getur það keppt við sterkari, aðlaðandi og óendanlega endurnýtanlega málmhluti? Rannsóknir þeirra vekja upp áhugaverðar spurningar. Áframhaldandi verkfræði (og að lokum markaðurinn) mun svara þeim.
Birtingartími: 13. apríl 2022
