Naturligt træ og metal har været essentielle byggematerialer for mennesker i tusinder af år. De syntetiske polymerer, vi kalder plast, er en ny opfindelse, der eksploderede i det 20. århundrede.
Både metaller og plast har egenskaber, der er velegnede til industriel og kommerciel brug. Metaller er stærke, stive og generelt modstandsdygtige over for luft, vand, varme og konstant stress. De kræver dog også flere ressourcer (hvilket betyder dyrere) at producere og forfine deres produkter. Plast har nogle af metals funktioner, samtidig med at det kræver mindre masse og er meget billigt at producere. Deres egenskaber kan tilpasses til næsten enhver anvendelse. Billige kommercielle plasttyper er dog forfærdelige strukturmaterialer: plastapparater er ikke en god ting, og ingen ønsker at bo i et plasthus. Derudover raffineres de ofte fra fossile brændstoffer.
I nogle anvendelser kan naturligt træ konkurrere med metaller og plast. De fleste familiehuse er bygget med trækonstruktioner. Problemet er, at naturligt træ er for blødt og for let beskadiget af vand til at erstatte plastik og metal det meste af tiden. En nylig artikel offentliggjort i tidsskriftet Matter udforsker skabelsen af et hærdet træmateriale, der overvinder disse begrænsninger. Denne forskning kulminerede i skabelsen af træknive og søm. Hvor god er trækniven, og vil du bruge den snart?
Træets fiberstruktur består af cirka 50% cellulose, en naturlig polymer med teoretisk gode styrkeegenskaber. Den resterende halvdel af træstrukturen består hovedsageligt af lignin og hemicellulose. Mens cellulose danner lange, stærke fibre, der giver træet rygraden i dets naturlige styrke, har hemicellulose en lille sammenhængende struktur og bidrager derfor ikke til træets styrke. Lignin udfylder hulrummene mellem cellulosefibre og udfører nyttige opgaver for levende træ. Men for menneskers formål med at komprimere træ og binde dets cellulosefibre tættere sammen, blev lignin en hindring.
I denne undersøgelse blev naturligt træ forvandlet til hærdet træ (HW) i fire trin. Først koges træet i natriumhydroxid og natriumsulfat for at fjerne noget af hemicellulosen og ligninen. Efter denne kemiske behandling bliver træet tættere ved at presse det i en presse i flere timer ved stuetemperatur. Dette reducerer de naturlige huller eller porer i træet og forbedrer den kemiske binding mellem tilstødende cellulosefibre. Derefter tryksættes træet ved 105° C (221° F) i et par timer mere for at fuldføre tætningen og tørres derefter. Til sidst nedsænkes træet i mineralolie i 48 timer for at gøre det færdige produkt vandtæt.
En mekanisk egenskab ved et strukturmateriale er indrykningshårdhed, som er et mål for dets evne til at modstå deformation, når det presses med kraft. Diamant er hårdere end stål, hårdere end guld, hårdere end træ og hårdere end pakskum. Blandt de mange tekniske tests, der bruges til at bestemme hårdhed, såsom Mohs-hårdheden, der bruges i gemologi, er Brinell-testen en af dem. Konceptet er enkelt: et hårdmetalkugleleje presses ind i testoverfladen med en bestemt kraft. Mål diameteren af den cirkulære indrykning, der skabes af kuglen. Brinell-hårdhedsværdien beregnes ved hjælp af en matematisk formel; groft sagt, jo større hul kuglen rammer, desto blødere er materialet. I denne test er HW 23 gange hårdere end naturligt træ.
Det meste ubehandlede naturlige træ absorberer vand. Dette kan udvide træet og i sidste ende ødelægge dets strukturelle egenskaber. Forfatterne brugte en to-dages mineralgennemblødsætning for at øge vandmodstanden af hårdttræet, hvilket gør det mere hydrofobt ("bange for vand"). Hydrofobicitetstesten involverer at placere en dråbe vand på en overflade. Jo mere hydrofob overfladen er, desto mere sfæriske bliver vanddråberne. En hydrofil ("vandelskende") overflade spreder derimod dråberne fladt (og absorberer efterfølgende vand lettere). Derfor øger mineralgennemblødsætning ikke kun hydrofobiciteten af hårdttræet betydeligt, men forhindrer også træet i at absorbere fugt.
I nogle tekniske tests klarede hårdvareknive sig en smule bedre end metalknive. Forfatterne hævder, at hårdvarekniven er omkring tre gange så skarp som en kommercielt tilgængelig kniv. Der er dog en forbehold ved dette interessante resultat. Forskere sammenligner bordknive, eller hvad vi kunne kalde smørknive. Disse er ikke beregnet til at være særligt skarpe. Forfatterne viser en video af deres kniv, der skærer en bøf, men en rimelig stærk voksen kunne sandsynligvis skære den samme bøf med den sløve side af en metalgaffel, og en bøfkniv ville fungere meget bedre.
Hvad med sømmene? Et enkelt HW-søm kan tilsyneladende nemt hamres ind i en stak af tre planker, dog ikke så detaljeret som det er relativt let sammenlignet med jernsøm. Træpløkker kan derefter holde plankerne sammen og modstå den kraft, der ville rive dem fra hinanden, med omtrent samme sejhed som jernpløkker. I deres tests brød brædderne dog i begge tilfælde sammen, før et af sømmene brød sammen, så de stærkere søm blev ikke blottet.
Er hårdhændede søm bedre på andre måder? Træpløkker er lettere, men vægten af strukturen er ikke primært drevet af massen af de pløkker, der holder den sammen. Træpløkker ruster ikke. De vil dog ikke være uigennemtrængelige for vand eller bionedbrydes.
Der er ingen tvivl om, at forfatteren har udviklet en proces til at gøre træ stærkere end naturligt træ. Imidlertid kræver brugbarheden af hardware til et bestemt job yderligere undersøgelse. Kan det være lige så billigt og ressourcefattigt som plastik? Kan det konkurrere med stærkere, mere attraktive og uendeligt genanvendelige metalgenstande? Deres forskning rejser interessante spørgsmål. Løbende ingeniørarbejde (og i sidste ende markedet) vil besvare dem.
Opslagstidspunkt: 13. april 2022
