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 een enorme vlucht nam.
Zowel metalen als kunststoffen hebben eigenschappen die zeer 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 (wat betekent dat ze duurder zijn) om te produceren en te verfijnen. Kunststoffen bieden een aantal van de functies van metaal, terwijl ze minder massa vereisen en zeer goedkoop te produceren zijn. Hun eigenschappen kunnen worden aangepast voor vrijwel elk gebruik. Goedkope commerciële kunststoffen zijn echter verschrikkelijke constructiematerialen: plastic apparaten zijn niet aan te raden 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 met een houten frame. Het probleem is echter dat natuurlijk hout te zacht is en te gemakkelijk beschadigd raakt door water om plastic 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 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, sterke vezels vormt die het hout zijn natuurlijke sterkte geven, heeft hemicellulose weinig samenhangende structuur en draagt het dus niets bij aan de sterkte van het hout. Lignine vult de holtes tussen de cellulosevezels en vervult nuttige functies voor levend hout. Maar voor het doel van de mens om hout te verdichten en de cellulosevezels steviger aan elkaar te binden, is lignine een belemmering geworden.
In deze studie werd natuurlijk hout in vier stappen omgezet in gehard hout (HW). 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 gemaakt door het enkele uren bij kamertemperatuur in een pers te persen. Dit vermindert de natuurlijke openingen of poriën in het hout en versterkt de chemische binding tussen aangrenzende cellulosevezels. Vervolgens wordt het hout nog enkele uren onder druk gezet bij 105 °C (221 °F) om de verdichting te voltooien, waarna het wordt gedroogd. Ten slotte wordt het hout 48 uur lang ondergedompeld in minerale olie om het eindproduct waterdicht te maken.
Een van de mechanische eigenschappen van een constructiemateriaal is de indrukhardheid, een maat voor het vermogen om vervorming te weerstaan wanneer er kracht op wordt uitgeoefend. Diamant is harder dan staal, harder dan goud, harder dan hout en harder dan verpakkingsschuim. Van de vele technische tests die worden gebruikt om de hardheid te bepalen, zoals de Mohs-hardheidstest die in de gemologie wordt gebruikt, is de Brinell-test er een. Het principe is eenvoudig: een hardmetalen kogellager wordt met een bepaalde kracht in het te testen oppervlak gedrukt. De diameter van de cirkelvormige indruk die door de kogel wordt veroorzaakt, wordt gemeten. De Brinell-hardheidswaarde wordt berekend met behulp van een wiskundige formule; grofweg geldt: hoe groter het gat dat de kogel maakt, hoe zachter het materiaal. Bij deze test is hard metaal 23 keer harder dan natuurlijk hout.
De meeste onbehandelde natuurlijke houtsoorten absorberen water. Dit kan het hout doen uitzetten en uiteindelijk de structurele eigenschappen ervan aantasten. De auteurs gebruikten een tweedaagse minerale behandeling om de waterbestendigheid van het hardhout te verhogen, waardoor het hydrofobischer ("waterafstotend") werd. De hydrofobiciteitstest houdt in dat een druppel water op een oppervlak wordt geplaatst. Hoe hydrofobischer het oppervlak, hoe bolvormiger de waterdruppels worden. Een hydrofiel ("waterminnend") oppervlak daarentegen verspreidt de druppels plat (en absorbeert daardoor gemakkelijker water). Minerale behandeling verhoogt dus niet alleen de hydrofobiciteit van het hardhout 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 is echter een kanttekening bij dit interessante resultaat. De onderzoekers vergelijken tafelmessen, ofwel botermessen. Deze zijn niet bedoeld om bijzonder scherp te zijn. De auteurs tonen een video waarin hun mes een biefstuk snijdt, maar een redelijk sterke volwassene zou waarschijnlijk dezelfde biefstuk ook met de botte kant van een metalen vork kunnen snijden, en een steakmes zou veel beter werken.
En hoe zit het met de spijkers? Een enkele houten spijker kan blijkbaar gemakkelijk in een stapel van drie planken worden geslagen, hoewel dit niet zo gedetailleerd is als het in werkelijkheid gaat in vergelijking met ijzeren spijkers. Houten pinnen kunnen de planken vervolgens bij elkaar houden en de kracht weerstaan die ze uit elkaar zou scheuren, met ongeveer dezelfde taaiheid als ijzeren pinnen. In hun tests bezweken de planken in beide gevallen echter voordat een van de spijkers het begaf, dus de sterkere spijkers werden niet blootgesteld.
Zijn houten spijkers op andere manieren beter? Houten pinnen zijn lichter, maar het gewicht van de constructie wordt niet primair bepaald door de massa van de pinnen die alles bij elkaar houden. Houten pinnen roesten niet. Ze zijn echter niet waterdicht en biologisch afbreekbaar.
Het lijdt geen twijfel dat de auteur een proces heeft ontwikkeld om hout sterker te maken dan natuurlijk hout. De bruikbaarheid van het materiaal voor een specifieke toepassing vereist echter verder onderzoek. Kan het net zo goedkoop en grondstofvrij zijn als plastic? Kan het concurreren met sterkere, aantrekkelijkere en oneindig herbruikbare metalen objecten? Hun onderzoek roept interessante vragen op. Voortdurende technische ontwikkeling (en uiteindelijk de markt) zal het antwoord geven.
Geplaatst op: 13 april 2022
