Natuurlijk hout en metaal zijn al duizenden jaren essentiële bouwmaterialen voor de mens. De synthetische polymeren die we plastic noemen, zijn een recente uitvinding die in de 20e eeuw enorm populair werd.
Zowel metalen als kunststoffen beschikken over eigenschappen die geschikt zijn voor industrieel en commercieel gebruik. Metalen zijn sterk, stijf en over het algemeen bestand tegen lucht, water, hitte en constante spanning. Ze vereisen echter ook meer grondstoffen (en dus duurder) om hun producten te produceren en te verfijnen. Kunststoffen vervullen een aantal functies van metaal, maar hebben minder massa nodig en zijn zeer goedkoop om te produceren. Hun eigenschappen kunnen voor vrijwel elk gebruik worden aangepast. Goedkope commerciële kunststoffen zijn echter slechte bouwmaterialen: plastic apparaten zijn niet goed en niemand wil in een plastic huis wonen. Bovendien worden ze vaak geraffineerd uit fossiele brandstoffen.
In sommige toepassingen kan natuurlijk hout concurreren met metalen en kunststoffen. De meeste gezinswoningen zijn gebouwd op een houten frame. Het probleem is dat natuurlijk hout te zacht is en te gemakkelijk door water wordt aangetast om kunststof en metaal in de meeste gevallen te vervangen. Een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Matter onderzoekt de ontwikkeling van een gehard houtmateriaal dat deze beperkingen overwint. Dit onderzoek resulteerde in de ontwikkeling van houten messen en spijkers. Hoe goed is het houten mes en zult u het binnenkort gebruiken?
De vezelstructuur van hout bestaat voor ongeveer 50% uit cellulose, een natuurlijk polymeer met theoretisch goede sterkte-eigenschappen. De overige helft van de houten structuur bestaat voornamelijk uit lignine en hemicellulose. Cellulose vormt lange, sterke vezels die hout de basis van zijn natuurlijke sterkte geven, maar hemicellulose heeft weinig samenhangende structuur en draagt dus niets bij aan de sterkte van het hout. Lignine vult de gaten tussen de cellulosevezels en vervult nuttige taken voor levend hout. Maar toen de mens hout wilde verdichten en de cellulosevezels steviger aan elkaar wilde binden, werd lignine een belemmering.
In deze studie werd natuurlijk hout in vier stappen omgezet in gehard hout (HW). Eerst werd het hout gekookt in natriumhydroxide en natriumsulfaat om een deel van de hemicellulose en lignine te verwijderen. Na deze chemische behandeling werd het hout dichter doordat het enkele uren bij kamertemperatuur in een pers werd geperst. Hierdoor werden de natuurlijke openingen of poriën in het hout verkleind en werd de chemische binding tussen aangrenzende cellulosevezels versterkt. Vervolgens werd het hout nog enkele uren op 105 °C (221 °F) onder druk gezet om de verdichting te voltooien en vervolgens gedroogd. Ten slotte werd het hout 48 uur ondergedompeld in minerale olie om het eindproduct waterdicht te maken.
Een mechanische eigenschap van een constructiemateriaal is de indrukkingshardheid. Deze is een maatstaf voor de mate waarin het materiaal bestand is tegen vervorming wanneer het onder druk wordt samengedrukt. Diamant is harder dan staal, harder dan goud, harder dan hout en harder dan schuimrubber. De Brinell-test is er daar één van, een van de vele technische tests die worden gebruikt om de hardheid te bepalen, zoals de hardheid volgens Mohs in de edelsteenkunde. Het concept is eenvoudig: een hardmetalen kogellager wordt met een bepaalde kracht in het testoppervlak gedrukt. Meet de diameter van de cirkelvormige indrukking die door de kogel wordt gemaakt. De Brinell-hardheidswaarde wordt berekend met een wiskundige formule. Grofweg geldt: hoe groter het gat waar de kogel in terechtkomt, hoe zachter het materiaal. Bij deze test is hardmetaal 23 keer harder dan natuurlijk hout.
Het meeste onbehandelde natuurlijke hout absorbeert water. Dit kan het hout doen uitzetten en uiteindelijk de structurele eigenschappen ervan aantasten. De auteurs gebruikten een tweedaagse minerale week om de waterbestendigheid van het hout te vergroten, waardoor het hydrofober ('bang voor water') werd. De hydrofobiciteitstest houdt in dat er een druppel water op een oppervlak wordt geplaatst. Hoe hydrofober het oppervlak, hoe bolvormiger de waterdruppels worden. Een hydrofiel ('waterminnend') oppervlak daarentegen verspreidt de druppels plat (en absorbeert vervolgens gemakkelijker water). Minerale week verhoogt dus niet alleen de hydrofobiciteit van het hout aanzienlijk, maar voorkomt ook dat het hout vocht absorbeert.
Bij sommige technische tests presteerden HW-messen iets beter dan metalen messen. De auteurs beweren dat het HW-mes ongeveer drie keer zo scherp is als een commercieel verkrijgbaar mes. Er zit echter een kanttekening bij dit interessante resultaat. Onderzoekers vergelijken tafelmessen, of wat we botermessen zouden kunnen noemen. Deze zijn niet bedoeld om bijzonder scherp te zijn. De auteurs laten een video zien van hun mes terwijl ze een biefstuk snijden, maar een redelijk sterke volwassene zou dezelfde biefstuk waarschijnlijk kunnen snijden met de botte kant van een metalen vork, en een steakmes zou veel beter werken.
En de spijkers? Eén enkele HW-spijker kan blijkbaar gemakkelijk in een stapel van drie planken worden geslagen, hoewel het niet zo gedetailleerd is als het relatief eenvoudig is in vergelijking met ijzeren spijkers. Houten pennen kunnen de planken vervolgens bij elkaar houden en de kracht weerstaan die ze uit elkaar zou scheuren, met ongeveer dezelfde sterkte als ijzeren pennen. Bij hun tests begaven de planken het echter in beide gevallen eerder dan de spijkers, dus de sterkere spijkers kwamen niet bloot te liggen.
Zijn HW-spijkers op andere vlakken beter? Houten pennen zijn lichter, maar het gewicht van de constructie wordt niet hoofdzakelijk bepaald door de massa van de pennen die de constructie bij elkaar houden. Houten pennen roesten niet. Ze zijn echter niet bestand tegen water en kunnen niet biologisch afbreken.
Er bestaat geen twijfel over dat de auteur een proces heeft ontwikkeld om hout sterker te maken dan natuurlijk hout. De bruikbaarheid van hardware voor specifieke taken vereist echter nog verder onderzoek. Kan het net zo goedkoop en grondstofarm zijn als plastic? Kan het concurreren met sterkere, aantrekkelijkere en eindeloos herbruikbare metalen voorwerpen? Hun onderzoek roept interessante vragen op. Doorlopende engineering (en uiteindelijk de markt) zal hierop antwoorden geven.
Plaatsingstijd: 13-04-2022
