Prírodné drevo a kov sú pre ľudí už tisíce rokov základnými stavebnými materiálmi. Syntetické polyméry, ktoré nazývame plasty, sú nedávnym vynálezom, ktorý zažil obrovský rozmach v 20. storočí.
Kovy aj plasty majú vlastnosti, ktoré sú vhodné na priemyselné a komerčné použitie. Kovy sú pevné, tuhé a vo všeobecnosti odolné voči vzduchu, vode, teplu a neustálemu namáhaniu. Na výrobu a zušľachťovanie svojich produktov však vyžadujú viac zdrojov (čo znamená, že sú drahšie). Plast poskytuje niektoré funkcie kovu, pričom vyžaduje menšiu hmotnosť a jeho výroba je veľmi lacná. Ich vlastnosti sa dajú prispôsobiť takmer akémukoľvek použitiu. Lacné komerčné plasty však vytvárajú hrozné konštrukčné materiály: plastové spotrebiče nie sú dobrá vec a nikto nechce bývať v plastovom dome. Okrem toho sa často rafinujú z fosílnych palív.
V niektorých aplikáciách môže prírodné drevo konkurovať kovom a plastom. Väčšina rodinných domov je postavená na drevených rámoch. Problém je v tom, že prírodné drevo je príliš mäkké a príliš ľahko sa poškodí vodou, aby väčšinou nahradilo plast a kov. Nedávny článok publikovaný v časopise Matter skúma vytvorenie tvrdeného dreveného materiálu, ktorý prekonáva tieto obmedzenia. Tento výskum vyvrcholil vytvorením drevených nožov a klincov. Aký dobrý je drevený nôž a budete ho v blízkej budúcnosti používať?
Vláknitá štruktúra dreva pozostáva z približne 50 % celulózy, prírodného polyméru s teoreticky dobrými pevnostnými vlastnosťami. Zvyšnú polovicu drevenej štruktúry tvorí prevažne lignín a hemicelulóza. Zatiaľ čo celulóza tvorí dlhé, pevné vlákna, ktoré poskytujú drevu základ jeho prirodzenej pevnosti, hemicelulóza má malú súdržnú štruktúru, a preto k pevnosti dreva nič neprispieva. Lignín vypĺňa medzery medzi celulózovými vláknami a vykonáva užitočné úlohy pre živé drevo. Ale pre ľudský účel zhutňovania dreva a pevnejšieho spájania jeho celulózových vlákien sa lignín stal prekážkou.
V tejto štúdii bolo prírodné drevo spracované na kalené drevo (HW) v štyroch krokoch. Najprv sa drevo varí v hydroxide sodnom a sírane sodnom, aby sa odstránila časť hemicelulózy a lignínu. Po tomto chemickom ošetrení drevo hustne lisovaním v lise počas niekoľkých hodín pri izbovej teplote. Tým sa zmenšia prirodzené medzery alebo póry v dreve a zlepší sa chemická väzba medzi susednými celulózovými vláknami. Následne sa drevo na niekoľko hodín lisuje pri teplote 105 °C (221 °F), aby sa dokončilo zhutnenie, a potom sa suší. Nakoniec sa drevo na 48 hodín ponorí do minerálneho oleja, aby sa hotový výrobok stal vodotesným.
Jednou z mechanických vlastností konštrukčného materiálu je tvrdosť vtlačením, čo je miera jeho schopnosti odolávať deformácii pri stlačení silou. Diamant je tvrdší ako oceľ, tvrdší ako zlato, tvrdší ako drevo a tvrdší ako tesniaca pena. Medzi mnohými technickými testami používanými na určenie tvrdosti, ako je Mohsova tvrdosť používaná v gemológii, je Brinell test jedným z nich. Jeho koncept je jednoduchý: guľôčkové ložisko z tvrdého kovu sa vtlačí do testovacieho povrchu určitou silou. Zmerajte priemer kruhového vtlačenia vytvoreného guľôčkou. Hodnota tvrdosti Brinella sa vypočíta pomocou matematického vzorca; zhruba povedané, čím väčší otvor guľôčka zasiahne, tým je materiál mäkší. V tomto teste je HW 23-krát tvrdšie ako prírodné drevo.
Väčšina neošetreného prírodného dreva absorbuje vodu. To môže drevo roztiahnuť a nakoniec zničiť jeho štrukturálne vlastnosti. Autori použili dvojdňové minerálne namáčanie na zvýšenie odolnosti dreva s drevom proti vode, čím sa stalo hydrofóbnejším („bojí sa vody“). Test hydrofóbnosti zahŕňa umiestnenie kvapky vody na povrch. Čím je povrch hydrofóbnejší, tým guľovitejšie sa kvapky vody stávajú. Hydrofilný („vodomilný“) povrch na druhej strane rozprestiera kvapky naplocho (a následne ľahšie absorbuje vodu). Minerálne namáčanie preto nielen výrazne zvyšuje hydrofóbnosť dreva s drevom, ale tiež zabraňuje drevu absorbovať vlhkosť.
V niektorých technických testoch si nože z HW viedli o niečo lepšie ako kovové nože. Autori tvrdia, že nôž z HW je približne trikrát ostrejší ako komerčne dostupný nôž. Tento zaujímavý výsledok má však jednu výhradu. Výskumníci porovnávajú stolové nože alebo to, čo by sme mohli nazvať maslovými nožmi. Tieto nie sú určené na to, aby boli obzvlášť ostré. Autori ukazujú video, na ktorom ich nôž krája steak, ale primerane silný dospelý by pravdepodobne mohol ten istý steak krájať tupou stranou kovovej vidličky a steakový nôž by fungoval oveľa lepšie.
A čo klince? Jeden HW klinec sa dá zrejme ľahko zatĺcť do stohu troch dosiek, aj keď nie je to také detailné, pretože je to relatívne jednoduché v porovnaní so železnými klincami. Drevené kolíky potom dokážu držať dosky pohromade a odolávať sile, ktorá by ich roztrhla, s približne rovnakou húževnatosťou ako železné kolíky. V ich testoch však v oboch prípadoch dosky zlyhali skôr ako ktorýkoľvek z klincov, takže silnejšie klince neboli odkryté.
Sú klince HW lepšie aj v iných ohľadoch? Drevené kolíky sú ľahšie, ale hmotnosť konštrukcie nie je primárne ovplyvnená hmotnosťou kolíkov, ktoré ju držia pohromade. Drevené kolíky nehrdzavejú. Nebudú však odolné voči vode ani biorozkladu.
Niet pochýb o tom, že autor vyvinul proces, vďaka ktorému je drevo pevnejšie ako prírodné drevo. Využiteľnosť kovania pre akúkoľvek konkrétnu prácu si však vyžaduje ďalšie štúdium. Môže byť také lacné a bez zdrojov ako plast? Môže konkurovať silnejším, atraktívnejším a nekonečne opakovane použiteľným kovovým predmetom? Ich výskum vyvoláva zaujímavé otázky. Odpovede na ne poskytne prebiehajúce inžinierstvo (a v konečnom dôsledku aj trh).
Čas uverejnenia: 13. apríla 2022
