چوب و فلز طبیعی هزاران سال است که مصالح ساختمانی ضروری برای بشر بوده‌اند. پلیمرهای مصنوعی که ما آنها را پلاستیک می‌نامیم، اختراع جدیدی هستند که در قرن بیستم به طور ناگهانی رواج یافتند.
فلزات و پلاستیک‌ها هر دو خواصی دارند که برای مصارف صنعتی و تجاری بسیار مناسب هستند. فلزات قوی، سفت و سخت و عموماً در برابر هوا، آب، گرما و تنش‌های مداوم مقاوم هستند. با این حال، آنها همچنین به منابع بیشتری (که به معنی گران‌تر بودن) برای تولید و پالایش محصولات خود نیاز دارند. پلاستیک برخی از عملکردهای فلز را در حالی که به جرم کمتری نیاز دارد و تولید آن بسیار ارزان است، ارائه می‌دهد. خواص آنها را می‌توان تقریباً برای هر کاربردی سفارشی کرد. با این حال، پلاستیک‌های تجاری ارزان، مصالح ساختاری وحشتناکی ایجاد می‌کنند: لوازم پلاستیکی چیز خوبی نیستند و هیچ کس نمی‌خواهد در یک خانه پلاستیکی زندگی کند. علاوه بر این، آنها اغلب از سوخت‌های فسیلی تصفیه می‌شوند.
در برخی کاربردها، چوب طبیعی می‌تواند با فلزات و پلاستیک‌ها رقابت کند. اکثر خانه‌های مسکونی بر روی اسکلت چوبی ساخته شده‌اند. مشکل این است که چوب طبیعی بیش از حد نرم است و به راحتی توسط آب آسیب می‌بیند و اغلب اوقات نمی‌تواند جایگزین پلاستیک و فلز شود. مقاله‌ای که اخیراً در مجله Matter منتشر شده است، به بررسی ایجاد یک ماده چوبی سخت شده می‌پردازد که بر این محدودیت‌ها غلبه می‌کند. این تحقیق به ساخت چاقوها و میخ‌های چوبی منجر شد. چاقوی چوبی چقدر خوب است و آیا به زودی از آن استفاده خواهید کرد؟
ساختار فیبری چوب تقریباً از ۵۰٪ سلولز، یک پلیمر طبیعی با خواص استحکامی تئوری خوب، تشکیل شده است. نیمه باقی مانده ساختار چوبی عمدتاً لیگنین و همی سلولز است. در حالی که سلولز الیاف بلند و سختی را تشکیل می‌دهد که ستون فقرات استحکام طبیعی چوب را تشکیل می‌دهد، همی سلولز ساختار منسجم کمی دارد و بنابراین هیچ کمکی به استحکام چوب نمی‌کند. لیگنین فضاهای خالی بین الیاف سلولز را پر می‌کند و وظایف مفیدی را برای چوب زنده انجام می‌دهد. اما برای هدف انسان که فشرده‌سازی چوب و اتصال محکم‌تر الیاف سلولزی آن به یکدیگر است، لیگنین به یک مانع تبدیل شد.
در این مطالعه، چوب طبیعی در چهار مرحله به چوب سخت (HW) تبدیل شد. ابتدا، چوب در هیدروکسید سدیم و سولفات سدیم جوشانده می‌شود تا مقداری از همی سلولز و لیگنین آن حذف شود. پس از این عملیات شیمیایی، چوب با فشار دادن آن در دستگاه پرس به مدت چند ساعت در دمای اتاق، متراکم‌تر می‌شود. این کار باعث کاهش شکاف‌ها یا منافذ طبیعی در چوب و افزایش پیوند شیمیایی بین الیاف سلولز مجاور می‌شود. سپس، چوب برای چند ساعت دیگر در دمای 105 درجه سانتیگراد (221 درجه فارنهایت) تحت فشار قرار می‌گیرد تا تراکم کامل شود و سپس خشک می‌شود. در نهایت، چوب به مدت 48 ساعت در روغن معدنی غوطه‌ور می‌شود تا محصول نهایی ضد آب شود.
یکی از خواص مکانیکی یک ماده ساختاری، سختی فرورفتگی است که معیاری از توانایی آن در مقاومت در برابر تغییر شکل هنگام فشرده شدن در اثر نیرو است. الماس سخت‌تر از فولاد، سخت‌تر از طلا، سخت‌تر از چوب و سخت‌تر از فوم بسته‌بندی است. در میان بسیاری از آزمایش‌های مهندسی که برای تعیین سختی استفاده می‌شوند، مانند سختی موس که در گوهرشناسی استفاده می‌شود، آزمایش برینل یکی از آنهاست. مفهوم آن ساده است: یک بلبرینگ فلزی سخت با نیروی خاصی به سطح آزمایش فشار داده می‌شود. قطر فرورفتگی دایره‌ای ایجاد شده توسط توپ را اندازه‌گیری کنید. مقدار سختی برینل با استفاده از یک فرمول ریاضی محاسبه می‌شود. به طور تقریبی، هر چه سوراخی که توپ به آن برخورد می‌کند بزرگتر باشد، ماده نرم‌تر است. در این آزمایش، HW 23 برابر سخت‌تر از چوب طبیعی است.
بیشتر چوب‌های طبیعی فرآوری نشده آب را جذب می‌کنند. این می‌تواند باعث انبساط چوب و در نهایت از بین رفتن خواص ساختاری آن شود. نویسندگان از خیساندن دو روزه چوب در مواد معدنی برای افزایش مقاومت چوب در برابر آب استفاده کردند و آن را آبگریزتر ("از آب می‌ترسد") کردند. آزمایش آبگریزی شامل قرار دادن یک قطره آب روی یک سطح است. هرچه سطح آبگریزتر باشد، قطرات آب کروی‌تر می‌شوند. از سوی دیگر، یک سطح آبدوست ("آبدوست") قطرات را به صورت مسطح پخش می‌کند (و متعاقباً آب را راحت‌تر جذب می‌کند). بنابراین، خیساندن چوب در مواد معدنی نه تنها آبگریزی چوب در آب را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد، بلکه از جذب رطوبت چوب نیز جلوگیری می‌کند.
در برخی آزمایش‌های مهندسی، چاقوهای HW کمی بهتر از چاقوهای فلزی عمل کردند. نویسندگان ادعا می‌کنند که چاقوی HW حدود سه برابر تیزتر از چاقوی موجود در بازار است. با این حال، این نتیجه جالب یک نکته‌ی احتیاطی دارد. محققان در حال مقایسه‌ی چاقوهای رومیزی یا آنچه که ما چاقوهای کره‌خوری می‌نامیم، هستند. این چاقوها قرار نیست خیلی تیز باشند. نویسندگان ویدئویی از چاقوی خود را در حال بریدن استیک نشان می‌دهند، اما یک فرد بالغ نسبتاً قوی احتمالاً می‌تواند همان استیک را با طرف کند یک چنگال فلزی برش دهد و یک چاقوی استیک بسیار بهتر عمل خواهد کرد.
در مورد میخ‌ها چطور؟ ظاهراً می‌توان یک میخ HW را به راحتی با چکش به سه تخته کوبید، هرچند که در مقایسه با میخ‌های آهنی، به آن راحتی نسبی که میخ‌های چوبی دارند، جزئیات کمتری دارد. میخ‌های چوبی می‌توانند تخته‌ها را در کنار هم نگه دارند و در برابر نیرویی که آنها را از هم جدا می‌کند، مقاومت کنند، تقریباً با همان سختی میخ‌های آهنی. با این حال، در آزمایش‌های آنها، تخته‌ها در هر دو مورد قبل از اینکه میخ‌ها بشکنند، شکست خوردند، بنابراین میخ‌های قوی‌تر در معرض قرار نگرفتند.
آیا میخ‌های HW از جهات دیگری هم بهتر هستند؟ میخ‌های چوبی سبک‌تر هستند، اما وزن سازه در درجه اول توسط جرم میخ‌هایی که آن را در کنار هم نگه می‌دارند، تعیین نمی‌شود. میخ‌های چوبی زنگ نمی‌زنند. با این حال، در برابر آب نفوذناپذیر یا تجزیه بیولوژیکی نمی‌شوند.
شکی نیست که نویسنده فرآیندی را برای قوی‌تر کردن چوب نسبت به چوب طبیعی توسعه داده است. با این حال، کاربرد سخت‌افزار برای هر کار خاص نیاز به مطالعه بیشتر دارد. آیا می‌تواند به ارزانی و کم‌هزینه بودن پلاستیک باشد؟ آیا می‌تواند با اشیاء فلزی قوی‌تر، جذاب‌تر و بی‌نهایت قابل استفاده مجدد رقابت کند؟ تحقیقات آنها سوالات جالبی را مطرح می‌کند. مهندسی مداوم (و در نهایت بازار) به آنها پاسخ خواهد داد.
زمان ارسال: ۱۳ آوریل ۲۰۲۲
