Натуральное дерево и металл на протяжении тысячелетий служили человеку важнейшими строительными материалами. Синтетические полимеры, которые мы называем пластиком, — это недавнее изобретение, которое произвело фурор в XX веке.
И металлы, и пластик обладают свойствами, которые хорошо подходят для промышленного и коммерческого использования. Металлы прочны, жёстки и, как правило, устойчивы к воздействию воздуха, воды, тепла и постоянных нагрузок. Однако для их производства и обработки требуется больше ресурсов (а значит, и дороже). Пластик выполняет некоторые функции металла, при этом требует меньше массы и очень дёшев в производстве. Их свойства можно адаптировать практически для любого применения. Однако дешёвые коммерческие пластики являются ужасными конструкционными материалами: пластиковые приборы никуда не годятся, и никто не хочет жить в пластиковом доме. Кроме того, их часто получают из ископаемого топлива.
В некоторых областях применения натуральная древесина может конкурировать с металлами и пластиком. Большинство частных домов построены на основе деревянного каркаса. Проблема в том, что натуральная древесина слишком мягкая и легко поддается повреждению водой, чтобы в большинстве случаев заменять пластик и металл. В недавней статье, опубликованной в журнале Matter, рассматривается создание закаленного древесного материала, который преодолевает эти ограничения. Это исследование привело к созданию деревянных ножей и гвоздей. Насколько хорош деревянный нож, и будете ли вы им пользоваться в ближайшее время?
Волокнистая структура древесины примерно на 50% состоит из целлюлозы — природного полимера с теоретически хорошими прочностными характеристиками. Оставшаяся половина структуры древесины представлена в основном лигнином и гемицеллюлозой. В то время как целлюлоза образует длинные, прочные волокна, обеспечивающие древесине ее естественную прочность, гемицеллюлоза имеет слабосвязанную структуру и, таким образом, не вносит никакого вклада в прочность древесины. Лигнин заполняет пустоты между волокнами целлюлозы и выполняет полезные функции для живой древесины. Однако для целей человека, заключающихся в уплотнении древесины и более плотном связывании ее волокон целлюлозы, лигнин стал помехой.
В этом исследовании натуральная древесина была превращена в закаленную древесину (HW) в четыре этапа. Сначала древесину кипятят в гидроксиде натрия и сульфате натрия, чтобы удалить часть гемицеллюлозы и лигнина. После этой химической обработки древесину уплотняют путем прессования ее в прессе в течение нескольких часов при комнатной температуре. Это уменьшает естественные зазоры или поры в древесине и усиливает химическую связь между соседними целлюлозными волокнами. Затем древесину подвергают прессованию при температуре 105 °C (221 °F) еще несколько часов для полного уплотнения, а затем сушат. Наконец, древесину погружают в минеральное масло на 48 часов, чтобы сделать готовый продукт водонепроницаемым.
Одним из механических свойств конструкционного материала является твердость при вдавливании, которая является мерой его способности противостоять деформации при сжатии под действием силы. Алмаз тверже стали, тверже золота, тверже дерева и тверже упаковочной пены. Среди множества технических испытаний, используемых для определения твердости, таких как твердость по шкале Мооса, используемая в геммологии, испытание по Бринеллю является одним из них. Его концепция проста: твердый металлический шарик вдавливается в испытываемую поверхность с определенной силой. Измерьте диаметр круглого углубления, созданного шариком. Значение твердости по Бринеллю рассчитывается с помощью математической формулы; грубо говоря, чем больше отверстие, в которое попадает шарик, тем мягче материал. В этом испытании HW в 23 раза тверже натурального дерева.
Большая часть необработанной натуральной древесины впитывает воду. Это может привести к расширению древесины и в конечном итоге разрушить ее структурные свойства. Авторы использовали двухдневное замачивание в минеральной вазе, чтобы повысить водостойкость HW, сделав ее более гидрофобной («боящейся воды»). Испытание на гидрофобность включает в себя нанесение капли воды на поверхность. Чем более гидрофобна поверхность, тем более сферическими становятся капли воды. С другой стороны, гидрофильная («любящая воду») поверхность распределяет капли по поверхности (и впоследствии легче впитывает воду). Таким образом, замачивание в минеральной вазе не только значительно повышает гидрофобность HW, но и предотвращает впитывание влаги древесиной.
В некоторых инженерных тестах ножи HW показали себя немного лучше металлических. Авторы утверждают, что нож HW примерно в три раза острее имеющихся в продаже ножей. Однако к этому интересному результату есть оговорка. Исследователи сравнивают столовые ножи, или то, что мы могли бы назвать ножами для масла. Они не должны быть особенно острыми. Авторы показывают видео, на котором их нож режет стейк, но достаточно сильный взрослый человек, вероятно, смог бы разрезать тот же стейк тупой стороной металлической вилки, а нож для стейков справился бы с этим гораздо лучше.
А как насчет гвоздей? Один гвоздь HW, по-видимому, можно легко забить в стопку из трех досок, хотя и не так легко, как железные гвозди. Деревянные штифты затем могут удерживать доски вместе, сопротивляясь силе, которая могла бы разорвать их, с примерно такой же прочностью, как и железные штифты. Однако в ходе испытаний доски в обоих случаях сломались раньше, чем сломался хотя бы один из гвоздей, поэтому более прочные гвозди не были обнаружены.
Есть ли другие преимущества у гвоздей HW? Деревянные колышки легче, но вес конструкции определяется не только массой колышков, которые ее скрепляют. Деревянные колышки не ржавеют. Однако они не будут водонепроницаемыми и не будут разлагаться.
Нет сомнений, что автор разработал процесс, позволяющий сделать древесину прочнее натуральной. Однако полезность фурнитуры для любой конкретной задачи требует дальнейшего изучения. Может ли она быть такой же дешёвой и ресурсосберегающей, как пластик? Сможет ли она конкурировать с более прочными, привлекательными и многократно используемыми металлическими предметами? Их исследования поднимают интересные вопросы. Ответы на них дадут современные разработки (и, в конечном счёте, рынок).
Время публикации: 13 апреля 2022 г.
