Náttúrulegur viður og málmur hafa verið nauðsynleg byggingarefni fyrir menn í þúsundir ára. Tilbúnu fjölliðurnar sem við köllum plast eru nýleg uppfinning sem sprakk á 20. öld.
Bæði málmar og plastefni hafa eiginleika sem henta vel til notkunar í iðnaði og í atvinnuskyni. Málmar eru sterkir, stífir og almennt þola loft, vatn, hita og stöðugt álag. Hins vegar þurfa þeir einnig meira fjármagn (sem þýðir dýrara) til að framleiða og betrumbæta vörur sínar.Plast veitir sumum hlutverkum málms en krefst minni massa og er mjög ódýrt í framleiðslu. Eiginleika þeirra er hægt að aðlaga fyrir næstum hvaða notkun sem er. Hins vegar, ódýrt verslunarplast gerir hræðileg byggingarefni: plasttæki eru ekki gott, og enginn vill búa í plasthúsi. Auk þess eru þau oft hreinsuð úr jarðefnaeldsneyti.
Í sumum forritum getur náttúrulegur við keppt við málma og plast. Flest fjölskylduheimili eru byggð á viðarrömmum. Vandamálið er að náttúrulegur viður er of mjúkur og skemmist of auðveldlega af vatni til að koma í stað plasts og málms að mestu leyti. Nýleg grein sem birt var í tímaritinu Matter kannar sköpun hertu viðarefnis sem sigrar þessar takmarkanir. Þessar rannsóknir náðu hámarki með því að búa til viðarhnífa og -nögla. Hversu góður er viðarhnífurinn og munt þú nota hann í bráð?
Trefjagerð viðar samanstendur af um það bil 50% sellulósa, náttúrulegri fjölliðu með fræðilega góða styrkleikaeiginleika. Afgangurinn af viðarbyggingunni er aðallega lignín og hemisellulósa. Þó að sellulósa myndar langar, sterkar trefjar sem veita viði burðarás náttúrulegs eðlis síns. styrkur, hálfsellulósa hefur litla samhangandi uppbyggingu og stuðlar því ekkert að styrk viðarins. Lignín fyllir upp í eyðurnar á milli sellulósatrefja og sinnir gagnlegum verkefnum fyrir lifandi við. En í þeim tilgangi að þjappa viði og binda sellulósatrefjar hans þéttari saman varð lignín hindrun.
Í þessari rannsókn var náttúrulegur við gerður að hertum viði (HW) í fjórum þrepum. Í fyrsta lagi er viðurinn soðinn í natríumhýdroxíði og natríumsúlfati til að fjarlægja hluta af hemicellulose og ligníni. Eftir þessa efnameðferð verður viðurinn þéttari með því að pressa það í pressu í nokkrar klukkustundir við stofuhita. Þetta dregur úr náttúrulegum eyðum eða svitaholum í viðnum og eykur efnatengingu milli aðliggjandi sellulósatrefja. Næst er viðurinn þrýst á 105°C (221°F) í nokkrar fleiri klukkustundir til að ljúka þéttingu, og síðan þurrkaður. Að lokum er viðurinn sökkt í jarðolíu í 48 klukkustundir til að gera fullunna vöruna vatnshelda.
Einn vélrænni eiginleiki burðarefnis er hörku inndráttar, 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 viður og harðari en pakkningarfroða. Meðal margra verkfræði prófanir sem notaðar eru til að ákvarða hörku, eins og Mohs-hörku sem notuð er í gemology, Brinell prófið er eitt af þeim. Hugmyndin er einföld: kúlulaga úr hörðu málmi er þrýst inn í prófunarflötinn með ákveðnum krafti. Mældu þvermál hringlaga inndráttur sem boltinn býr til. Brinell hörkugildið er reiknað með stærðfræðilegri formúlu;í grófum dráttum, því stærri holu sem boltinn slær, því mýkra er efnið. Í þessari prófun er HW 23 sinnum harðari en náttúrulegur viður.
Flest ómeðhöndluð náttúrulegur viður mun gleypa vatn. Þetta getur stækkað viðinn og að lokum eyðilagt byggingareiginleika hans. Höfundarnir notuðu tveggja daga steinefnableytingu til að auka vatnsþol HW, sem gerir það vatnsfælna („hræddur við vatn“). Vatnsfælniprófið felur í sér að vatnsdropa er settur á yfirborð. Því vatnsfælnara sem yfirborðið er, því kúlulagari verða vatnsdroparnir. Vatnssækið („vatnselskandi“) yfirborð dreifir dropunum aftur á móti flatt (og í kjölfarið gleypir vatn auðveldara).Þess vegna eykur steinefnableyting ekki aðeins vatnsfælni HW verulega, heldur kemur hún einnig í veg fyrir að viðurinn taki í sig raka.
Í sumum verkfræðilegum prófunum stóðu HW hnífar sig aðeins betur en málmhnífar. Höfundar halda því fram að HW hnífurinn sé um það bil þrisvar sinnum beittari en hnífur sem fæst í sölu. Hins vegar er fyrirvari við þessa áhugaverðu niðurstöðu. Rannsakendur bera saman borðhnífa, eða það sem við gætum kallað smjörhnífa. Þessum er ekki ætlað að vera sérstaklega beittur. Höfundarnir sýna myndband af hnífnum sínum að skera steik, en sæmilega sterkur fullorðinn gæti sennilega skorið sömu steikina með sljóu hliðinni á málmgaffli, og steikarhnífur myndi virka miklu betur.
Hvað með naglana? Einstaka HW nagla er greinilega auðvelt að hamra í stafla af þremur plankum, þó ekki eins ítarlegt þar sem það er tiltölulega auðvelt miðað við járnnögl. Viðarpinnar geta þá haldið plankunum saman og staðið gegn kraftinum sem myndi rifna þær í sundur, með um það bil sömu hörku og járnpinnar. Í prófunum þeirra biluðu brettin í báðum tilfellum áður en annar hvor nöglin bilaði, þannig að sterkari nöglarnir voru ekki afhjúpaðir.
Eru HW naglar betri að öðru leyti?Trépinnar eru léttari en þyngd burðarvirkisins er ekki fyrst og fremst knúin áfram af massa tappanna sem halda því saman.Tarpinnar munu ekki ryðga. Hins vegar verða þær ekki ónæmar fyrir vatni eða lífrænt niðurbrot.
Það er enginn vafi á því að höfundur hefur þróað ferli til að gera við sterkari en náttúrulegan við. Hins vegar krefst notagildi vélbúnaðar fyrir tiltekið starf frekara rannsóknar. Getur það verið jafn ódýrt og auðlindalaust og plast? Getur það keppt við sterkara , meira aðlaðandi, óendanlega endurnýtanlegar málmhlutir?Rannsókn þeirra vekur áhugaverðar spurningar. Áframhaldandi verkfræði (og að lokum markaðurinn) mun svara þeim.
Birtingartími: 13. apríl 2022
