Naturlig tre og metall har vært essensielle byggematerialer for mennesker i tusenvis av år. De syntetiske polymerene vi kaller plast er en nylig oppfinnelse som eksploderte i det 20. århundre.
Både metaller og plast har egenskaper som er godt egnet for industriell og kommersiell bruk. Metaller er sterke, stive og generelt motstandsdyktige mot luft, vann, varme og konstant stress. Imidlertid krever de også flere ressurser (som betyr dyrere) for å produsere og raffinere produktene sine. Plast har noen av funksjonene til metall, samtidig som det krever mindre masse og er veldig billig å produsere. Egenskapene deres kan tilpasses for nesten enhver bruk. Billig kommersiell plast lager imidlertid forferdelige strukturelle materialer: plastapparater er ikke en god ting, og ingen ønsker å bo i et plasthus. I tillegg raffineres de ofte fra fossilt brensel.
I noen bruksområder kan naturlig tre konkurrere med metaller og plast. De fleste eneboliger er bygget med trekonstruksjon. Problemet er at naturlig tre er for mykt og for lett skadet av vann til å erstatte plast og metall mesteparten av tiden. En fersk artikkel publisert i tidsskriftet Matter utforsker etableringen av et herdet tremateriale som overvinner disse begrensningene. Denne forskningen kulminerte i etableringen av trekniver og spiker. Hvor god er trekniven, og vil du bruke den snart?
Treets fiberstruktur består av omtrent 50 % cellulose, en naturlig polymer med teoretisk gode styrkeegenskaper. Den resterende halvparten av trestrukturen består hovedsakelig av lignin og hemicellulose. Mens cellulose danner lange, seige fibre som gir treverket ryggraden i dets naturlige styrke, har hemicellulose liten sammenhengende struktur og bidrar dermed ikke til treverkets styrke. Lignin fyller hulrommene mellom cellulosefibrene og utfører nyttige oppgaver for levende tre. Men for menneskers formål med å komprimere tre og binde cellulosefibrene tettere sammen, ble lignin en hindring.
I denne studien ble naturlig tre gjort om til herdet tre (HW) i fire trinn. Først kokes treverket i natriumhydroksid og natriumsulfat for å fjerne noe av hemicellulosen og ligninet. Etter denne kjemiske behandlingen blir treverket tettere ved å presse det i en presse i flere timer ved romtemperatur. Dette reduserer de naturlige hullene eller porene i treverket og forbedrer den kjemiske bindingen mellom tilstøtende cellulosefibre. Deretter trykkes treverket ved 105 °C i noen timer til for å fullføre fortettingen, og tørkes deretter. Til slutt senkes treverket ned i mineralolje i 48 timer for å gjøre det ferdige produktet vanntett.
En mekanisk egenskap ved et strukturelt materiale er inntrykkshardhet, som er et mål på dets evne til å motstå deformasjon når det presses med makt. Diamant er hardere enn stål, hardere enn gull, hardere enn tre og hardere enn pakkeskum. Blant de mange ingeniørtestene som brukes for å bestemme hardhet, for eksempel Mohs-hardheten som brukes i gemologi, er Brinell-testen en av dem. Konseptet er enkelt: et hardmetallkulelager presses inn i testoverflaten med en viss kraft. Mål diameteren på den sirkulære inntrykkingen som skapes av kulen. Brinell-hardhetsverdien beregnes ved hjelp av en matematisk formel; grovt sett, jo større hull kulen treffer, desto mykere er materialet. I denne testen er HW 23 ganger hardere enn naturlig tre.
Mest ubehandlet naturlig treverk absorberer vann. Dette kan utvide treverket og til slutt ødelegge dets strukturelle egenskaper. Forfatterne brukte en to-dagers mineralbløtlegging for å øke vannmotstanden til treverket, noe som gjør det mer hydrofobt («redd for vann»). Hydrofobisitetstesten innebærer å plassere en dråpe vann på en overflate. Jo mer hydrofob overflaten er, desto mer sfæriske blir vanndråpene. En hydrofil («vannelskende») overflate sprer derimot dråpene flatt (og absorberer deretter vann lettere). Derfor øker mineralbløtlegging ikke bare hydrofobisiteten til treverket betydelig, men forhindrer også treverket i å absorbere fuktighet.
I noen tekniske tester presterte maskinvarekniver litt bedre enn metallkniver. Forfatterne hevder at maskinvarekniven er omtrent tre ganger så skarp som en kommersielt tilgjengelig kniv. Det er imidlertid et forbehold til dette interessante resultatet. Forskere sammenligner bordkniver, eller det vi kan kalle smørkniver. Disse er ikke ment å være spesielt skarpe. Forfatterne viser en video av kniven sin som skjærer en biff, men en rimelig sterk voksen kunne sannsynligvis skjære den samme biffen med den sløve siden av en metallgaffel, og en biffkniv ville fungert mye bedre.
Hva med spikrene? En enkelt HW-spiker kan tydeligvis enkelt hamres inn i en stabel med tre planker, men ikke så detaljert som det er relativt enkelt sammenlignet med jernspiker. Treplugger kan deretter holde plankene sammen, og motstå kraften som ville rive dem fra hverandre, med omtrent samme seighet som jernplugger. I testene deres sviktet imidlertid bordene i begge tilfeller før noen av spikrene sviktet, slik at de sterkere spikrene ikke ble eksponert.
Er HW-spiker bedre på andre måter? Treplugger er lettere, men vekten av konstruksjonen er ikke primært drevet av massen til pluggene som holder den sammen. Treplugger vil ikke ruste. De vil imidlertid ikke være ugjennomtrengelige for vann eller biologisk nedbrytning.
Det er ingen tvil om at forfatteren har utviklet en prosess for å gjøre tre sterkere enn naturlig tre. Nytten av maskinvare til en bestemt jobb krever imidlertid videre studier. Kan det være like billig og ressursfattig som plast? Kan det konkurrere med sterkere, mer attraktive og uendelig gjenbrukbare metallgjenstander? Forskningen deres reiser interessante spørsmål. Pågående ingeniørarbeid (og til slutt markedet) vil svare på dem.
Publisert: 13. april 2022
