סכיני עץ מוקשה חדות פי שלושה מסכיני שולחן

עץ ומתכת טבעיים היו חומרי בניין חיוניים לבני אדם במשך אלפי שנים. הפולימרים הסינתטיים שאנו מכנים פלסטיק הם המצאה עדכנית שהתפוצצה במאה ה-20.
הן למתכות והן לפלסטיק יש תכונות המתאימות היטב לשימוש תעשייתי ומסחרי. המתכות הן חזקות, קשיחות ובדרך כלל עמידות בפני אוויר, מים, חום ומתח מתמיד. עם זאת, הן גם דורשות יותר משאבים (כלומר יקרות יותר) לייצר ולחדד את המוצרים שלהם. פלסטיק מספק חלק מהפונקציות של מתכת תוך שהוא דורש פחות מסה והוא זול מאוד לייצור. ניתן להתאים את המאפיינים שלהם כמעט לכל שימוש. עם זאת, פלסטיק מסחרי זול מייצר חומרים מבניים איומים: מכשירי פלסטיק אינם דבר טוב, ואף אחד לא רוצה לגור בבית פלסטיק. בנוסף, הם מזוקקים לעתים קרובות מדלק מאובנים.
ביישומים מסוימים, עץ טבעי יכול להתחרות עם מתכות ופלסטיק. רוב בתי המשפחה בנויים על מסגרת עץ. הבעיה היא שהעץ הטבעי רך מדי וניזוק בקלות מדי על ידי מים מכדי להחליף פלסטיק ומתכת רוב הזמן. מאמר שנערך לאחרונה שפורסם בכתב העת Matter בוחן את יצירתו של חומר עץ מוקשה שמתגבר על מגבלות אלו. מחקר זה הגיע לשיאו ביצירת סכיני עץ ומסמרים. עד כמה סכין העץ טובה והאם תשתמש בה בזמן הקרוב?
המבנה הסיבי של העץ מורכב מכ-50% תאית, פולימר טבעי עם תכונות חוזק טובות תיאורטית. המחצית הנותרת של מבנה העץ היא בעיקר ליגנין והמיצלולוזה. בעוד שתאית יוצרת סיבים ארוכים וקשים המספקים לעץ את עמוד השדרה הטבעי שלו. חוזק, להמיצלולוזה יש מעט מבנה קוהרנטי ולכן אינו תורם דבר לחוזק העץ. לגנין ממלא את החללים בין סיבי תאית ומבצע משימות שימושיות עבור עץ חי. אך למטרת בני האדם לדחוס עץ ולקשר את סיבי התאית שלו בצורה הדוקה יותר יחדיו, הפך ליגנין מכשול.
במחקר זה, עץ טבעי נעשה לעץ מוקשה (HW) בארבעה שלבים. ראשית, העץ מבושל בנתרן הידרוקסיד ונתרן סולפט כדי להסיר חלק מההמיצלולוזה והליגנין. לאחר טיפול כימי זה, העץ הופך צפוף יותר על ידי לחיצה זה בלחיצה במשך מספר שעות בטמפרטורת החדר. זה מפחית את הפערים הטבעיים או הנקבוביות בעץ ומשפר את הקשר הכימי בין סיבי תאית סמוכים. לאחר מכן, העץ נלחץ ב-105 מעלות צלזיוס (221 מעלות פרנהייט) לעוד כמה שעות כדי להשלים את הצפיפות, ולאחר מכן ייבוש. לבסוף, העץ טובל בשמן מינרלי למשך 48 שעות כדי להפוך את המוצר המוגמר לעמיד למים.
תכונה מכנית אחת של חומר מבני היא קשיות הזחה, שהיא מדד ליכולתו לעמוד בפני דפורמציה כאשר הוא סוחט בכוח. יהלום קשה יותר מפלדה, קשה מזהב, קשה יותר מעץ, וקשה יותר מקצף אריזה. בין ההנדסה הרבות בדיקות המשמשות לקביעת קשיות, כמו קשיות Mohs המשמשת בגמולוגיה, מבחן ברינל הוא אחד מהם. הרעיון שלו פשוט: מיסב כדורי מתכת קשה נלחץ לתוך משטח הבדיקה בכוח מסוים. למדוד את קוטר העגול הזחה שנוצרה על ידי הכדור. ערך קשיות Brinell מחושב באמצעות נוסחה מתמטית; באופן גס, ככל שהחור שהכדור פוגע גדול יותר, החומר רך יותר. בבדיקה זו, HW קשה פי 23 מעץ טבעי.
רוב העץ הטבעי הלא מטופל יספוג מים. זה יכול להרחיב את העץ ובסופו של דבר להרוס את התכונות המבניות שלו. המחברים השתמשו בהשריית מינרלים של יומיים כדי להגביר את עמידות המים של ה-HW, מה שהופך אותו להידרופובי יותר ("מפחד ממים"). מבחן ההידרופוביות כולל הנחת טיפת מים על משטח. ככל שהמשטח יותר הידרופובי, כך טיפות המים הופכות לכדוריות יותר. משטח הידרופילי ("אוהב מים"), לעומת זאת, מפזר את הטיפות בצורה שטוחה (ובהמשך סופג מים בקלות רבה יותר). לכן השריית מינרלים לא רק מגבירה משמעותית את ההידרופוביות של ה-HW, אלא גם מונעת מהעץ לספוג לחות.
בכמה בדיקות הנדסיות, סכיני HW הציגו ביצועים מעט טובים יותר מסכיני מתכת. המחברים טוענים שהסכין HW חדה בערך פי שלושה מסכין זמינה מסחרית. עם זאת, יש הסתייגות לתוצאה המעניינת הזו. החוקרים משווים סכיני שולחן, או מה שנקרא סכיני חמאה. אלה לא אמורים להיות חדים במיוחד. המחברים מראים סרטון של הסכין שלהם חותכת סטייק, אבל מבוגר חזק למדי יכול כנראה לחתוך את אותו סטייק עם הצד המשעמם של מזלג מתכת, ו סכין סטייק תעבוד הרבה יותר טוב.
מה לגבי המסמרים? מסתבר שניתן לתקוע בקלות מסמר HW לערימה של שלושה קרשים, אם כי לא כל כך מפורט מכיוון שהוא קל יחסית בהשוואה למסמרי ברזל. יתדות עץ יכולות אז להחזיק את הקרשים יחד, ולהתנגד לכוח שיקרע עם זאת, בבדיקות שלהם, הלוחות בשני המקרים נכשלו לפני ששני הציפורניים נכשלו, כך שהציפורניים החזקות יותר לא נחשפו.
האם מסמרי HW טובים יותר במובנים אחרים?יתדות עץ קלות יותר, אך משקל המבנה אינו מונע בעיקר על ידי מסת היתדות שמחזיקות אותו יחד. יתדות עץ לא יחלידו. עם זאת, הוא לא יהיה אטום למים או להתפרק ביולוגי.
אין ספק שהכותב פיתח תהליך להפיכת עץ לחזק יותר מעץ טבעי. עם זאת, התועלת של חומרה לכל עבודה מסוימת דורשת מחקר נוסף. האם זה יכול להיות זול וחסר משאבים כמו פלסטיק? האם הוא יכול להתחרות עם חזק יותר , חפצי מתכת אטרקטיביים יותר, לשימוש חוזר אינסופי? המחקר שלהם מעלה שאלות מעניינות. הנדסה מתמשכת (ובסופו של דבר השוק) תענה עליהן.