Natuurlijk hout en metaal zijn al duizenden jaren essentiële bouwmaterialen voor de mens. De synthetische polymeren die we plastics noemen, zijn een recente uitvinding die in de 20e eeuw tot een explosie kwam.
Zowel metalen als kunststoffen hebben eigenschappen die zeer geschikt zijn voor industrieel en commercieel gebruik. Metalen zijn sterk, stijf en over het algemeen veerkrachtig tegen lucht, water, hitte en constante spanning. Ze vereisen echter ook meer hulpbronnen (wat duurder betekent) om produceren en verfijnen van hun producten. Plastic biedt enkele van de functies van metaal, terwijl het minder massa vereist en zeer goedkoop is om te produceren. Hun eigenschappen kunnen voor vrijwel elk gebruik worden aangepast. Goedkope commerciële kunststoffen zijn echter vreselijke structurele materialen: plastic apparaten zijn geen maar goed ook, 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 beschadigd om plastic en metaal meestal te vervangen. Een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Matter onderzoekt de creatie van een gehard houtmateriaal dat deze beperkingen overwint. Dit onderzoek culmineerde in de creatie van houten messen en spijkers. Hoe goed is het houten mes en ga je 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 houtstructuur bestaat voornamelijk uit lignine en hemicellulose. Terwijl cellulose lange, taaie vezels vormt die hout de ruggengraat van zijn natuurlijke eigenschappen geven. sterkte heeft hemicellulose weinig samenhangende structuur en draagt dus niets bij aan de sterkte van het hout. Lignine vult de holtes tussen cellulosevezels en vervult nuttige taken voor levend hout. Maar voor het doel van de mens om hout te verdichten en de cellulosevezels steviger aan elkaar te binden, werd lignine een belemmering.
In dit onderzoek werd natuurlijk hout in vier stappen tot verhard hout (HW) gemaakt. Eerst wordt het hout gekookt in natriumhydroxide en natriumsulfaat om een deel van de hemicellulose en lignine te verwijderen. Na deze chemische behandeling wordt het hout dichter door te persen. het enkele uren in een pers bij kamertemperatuur. Dit verkleint de natuurlijke openingen of poriën in het hout en verbetert de chemische binding tussen aangrenzende cellulosevezels. Vervolgens wordt het hout nog een paar uur onder druk gezet bij 105 ° C (221 ° F). uur om de verdichting te voltooien, en vervolgens gedroogd. Ten slotte wordt het hout gedurende 48 uur ondergedompeld in minerale olie om het eindproduct waterdicht te maken.
Een mechanische eigenschap van een constructiemateriaal is de hardheid van de inkepingen, wat een maatstaf is voor het vermogen om vervorming te weerstaan wanneer er met kracht in wordt geperst. Diamant is harder dan staal, harder dan goud, harder dan hout en harder dan verpakkingsschuim. tests die worden gebruikt om de hardheid te bepalen, zoals de Mohs-hardheid die wordt gebruikt in de edelsteenkunde, de Brinell-test is er één van. Het concept is eenvoudig: een hardmetalen kogellager wordt met een bepaalde kracht in het testoppervlak gedrukt. Meet de diameter van de cirkelvormige inkeping gecreëerd door de bal. De Brinell-hardheidswaarde wordt berekend met behulp van een wiskundige formule; grofweg geldt: hoe groter het gat dat de bal raakt, hoe zachter het materiaal. In deze test is HW 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 vernietigen. De auteurs gebruikten een tweedaagse minerale inweking om de waterbestendigheid van het HW te vergroten, waardoor het hydrofoberer werd (“bang voor water”). Bij de hydrofobiciteitstest wordt een druppel water op een oppervlak geplaatst. Hoe hydrofoob het oppervlak, hoe bolvormiger de waterdruppels worden. Een hydrofiel (“waterminnend”) oppervlak daarentegen verspreidt de druppels plat (en vervolgens absorbeert gemakkelijker water). Daarom verhoogt het inweken van mineralen niet alleen de hydrofobiciteit van het HW aanzienlijk, maar voorkomt het ook dat het hout vocht absorbeert.
In 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 in de handel verkrijgbaar mes. Er is echter een kanttekening bij dit interessante resultaat. Onderzoekers vergelijken tafelmessen, of wat we botermessen zouden kunnen noemen. Deze zijn niet bijzonder scherp bedoeld. De auteurs laten een video zien waarin hun mes een biefstuk snijdt, maar een redelijk sterke volwassene zou waarschijnlijk dezelfde biefstuk kunnen snijden met de botte kant van een metalen vork, en een steakmes zou veel beter werken.
Hoe zit het met de spijkers? Een enkele HW-spijker kan blijkbaar gemakkelijk in een stapel van drie planken worden geslagen, hoewel niet zo gedetailleerd als relatief eenvoudig vergeleken met ijzeren spijkers. Houten pennen kunnen de planken dan bij elkaar houden en weerstand bieden aan de kracht die zou scheuren ze uit elkaar, met ongeveer dezelfde taaiheid als ijzeren pinnen. Bij hun tests faalden de planken echter in beide gevallen voordat een van de spijkers bezweek, zodat de sterkere spijkers niet zichtbaar waren.
Zijn HW-spijkers op andere manieren beter? Houten pennen zijn lichter, maar het gewicht van de constructie wordt niet in de eerste plaats bepaald door de massa van de pennen die de structuur bij elkaar houden. Houten pennen roesten niet. Ze zijn echter niet ongevoelig voor water of 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 een bepaalde klus vereist echter verder onderzoek. Kan het net zo goedkoop en hulpbronnenarm zijn als plastic? Kan het concurreren met sterkere materialen? , aantrekkelijkere, oneindig herbruikbare metalen voorwerpen? Hun onderzoek roept interessante vragen op. Voortdurende engineering (en uiteindelijk de markt) zal deze beantwoorden.
Posttijd: 13 april 2022
