Přírodní dřevo a kov jsou pro lidstvo po tisíce let základními stavebními materiály. Syntetické polymery, kterým říkáme plasty, jsou nedávným vynálezem, který se ve 20. století rozmohl.
Jak kovy, tak plasty mají vlastnosti, které jsou vhodné pro průmyslové a komerční použití. Kovy jsou pevné, tuhé a obecně odolné vůči vzduchu, vodě, teplu a neustálému namáhání. Jejich výroba a zušlechťování však také vyžaduje více zdrojů (což znamená i vyšší náklady). Plast zajišťuje některé funkce kovu, ale vyžaduje menší hmotnost a jeho výroba je velmi levná. Jeho vlastnosti lze přizpůsobit téměř jakémukoli použití. Levné komerční plasty však představují hrozné konstrukční materiály: plastové spotřebiče nejsou dobrá věc a nikdo nechce žít v plastovém domě. Navíc se často rafinují z fosilních paliv.
V některých aplikacích může přírodní dřevo konkurovat kovům a plastům. Většina rodinných domů je postavena na dřevěné konstrukci. Problém je v tom, že přírodní dřevo je příliš měkké a příliš snadno se poškozuje vodou, než aby většinu času nahradilo plast a kov. Nedávný článek publikovaný v časopise Matter zkoumá vytvoření tvrzeného dřevěného materiálu, který tato omezení překonává. Tento výzkum vyvrcholil vytvořením dřevěných nožů a hřebíků. Jak dobrý je dřevěný nůž a budete ho v dohledné době používat?
Vláknitá struktura dřeva se skládá z přibližně 50 % celulózy, přírodního polymeru s teoreticky dobrými pevnostními vlastnostmi. Zbývající polovina dřevěné struktury je tvořena převážně ligninem a hemicelulózou. Zatímco celulóza tvoří dlouhá, pevná vlákna, která poskytují dřevu základ jeho přirozené pevnosti, hemicelulóza má jen malou soudržnou strukturu, a proto k pevnosti dřeva nijak nepřispívá. Lignin vyplňuje mezery mezi celulózovými vlákny a plní užitečné úkoly pro živé dřevo. Pro lidský účel zhutňování dřeva a pevněji spojování jeho celulózových vláken se však lignin stal překážkou.
V této studii bylo přírodní dřevo zpracováno na kalené dřevo (HW) ve čtyřech krocích. Nejprve se dřevo vaří v hydroxidu sodném a síranu sodném, aby se odstranila část hemicelulózy a ligninu. Po tomto chemickém ošetření dřevo zhustne lisováním v lisu po dobu několika hodin při pokojové teplotě. Tím se zmenší přirozené mezery nebo póry ve dřevě a zlepší se chemická vazba mezi sousedními celulózovými vlákny. Poté se dřevo na několik hodin tlakuje při 105 °C (221 °F), aby se dokončilo zhutnění, a poté se suší. Nakonec se dřevo na 48 hodin ponoří do minerálního oleje, aby se hotový výrobek stal vodotěsným.
Jednou z mechanických vlastností konstrukčního materiálu je tvrdost vtlačením, což je míra jeho schopnosti odolávat deformaci při stlačení silou. Diamant je tvrdší než ocel, tvrdší než zlato, tvrdší než dřevo a tvrdší než pěnová výplň. Mezi mnoha technickými testy používanými ke stanovení tvrdosti, jako je Mohsova tvrdost používaná v gemologii, je Brinellova zkouška jedním z nich. Její koncept je jednoduchý: kuličkové ložisko z tvrdého kovu se vtlačí do testovaného povrchu určitou silou. Změřte průměr kruhového vtlačení vytvořeného kuličkou. Hodnota tvrdosti podle Brinella se vypočítá pomocí matematického vzorce; zhruba řečeno, čím větší otvor kulička zasáhne, tím měkčí je materiál. V tomto testu je HW 23krát tvrdší než přírodní dřevo.
Většina neošetřeného přírodního dřeva absorbuje vodu. To může dřevo roztahovat a nakonec zničit jeho strukturální vlastnosti. Autoři použili dvoudenní minerální namáčení ke zvýšení vodotěsnosti dřeva, čímž se dřevo stalo hydrofobnějším („bojí se vody“). Test hydrofobnosti zahrnuje umístění kapky vody na povrch. Čím hydrofobnější je povrch, tím kulovitější se kapky vody stávají. Hydrofilní („vodomilný“) povrch naopak kapky rozprostírá naplocho (a následně snáze absorbuje vodu). Minerální namáčení proto nejen výrazně zvyšuje hydrofobnost dřeva, ale také brání dřevu v absorpci vlhkosti.
V některých technických testech si nože z tvrdé oceli vedly o něco lépe než kovové nože. Autoři tvrdí, že nůž z tvrdé oceli je asi třikrát ostřejší než komerčně dostupný nůž. Tento zajímavý výsledek má však jednu výhradu. Vědci porovnávají stolní nože neboli nože na máslo. Ty nejsou určeny k tomu, aby byly nijak zvlášť ostré. Autoři ukazují video, na kterém jejich nůž krájí steak, ale přiměřeně silný dospělý by pravděpodobně dokázal stejný steak krájet tupou stranou kovové vidličky a nůž na steak by fungoval mnohem lépe.
A co hřebíky? Jeden HW hřebík lze zřejmě snadno zatlouct do stohu tří prken, i když ne tak detailně, protože je relativně snadný ve srovnání se železnými hřebíky. Dřevěné kolíky pak mohou držet prkna pohromadě a odolávat síle, která by je od sebe odtrhla, s přibližně stejnou houževnatostí jako železné kolíky. V jejich testech však v obou případech prkna selhala dříve než kterýkoli z hřebíků, takže silnější hřebíky nebyly odkryté.
Jsou hřebíky HW lepší i v jiných ohledech? Dřevěné kolíky jsou lehčí, ale hmotnost konstrukce není primárně dána hmotností kolíků, které ji drží pohromadě. Dřevěné kolíky nerezaví. Nebudou však odolné vůči vodě ani biologickému rozkladu.
Není pochyb o tom, že autor vyvinul proces, kterým se dřevo stává pevnějším než dřevo přírodní. Použitelnost kování pro jakoukoli konkrétní práci však vyžaduje další studium. Může být stejně levné a bez zdrojů jako plast? Může konkurovat silnějším, atraktivnějším a nekonečně opakovaně použitelným kovovým předmětům? Jejich výzkum vyvolává zajímavé otázky. Odpovědi na ně poskytne probíhající inženýrství (a v konečném důsledku i trh).
Čas zveřejnění: 13. dubna 2022
