סכיני עץ מוקשה חדות פי שלושה מסכיני שולחן

עץ ומתכת טבעיים היו חומרי בנייה חיוניים לבני אדם במשך אלפי שנים. הפולימרים הסינתטיים שאנו מכנים פלסטיק הם המצאה חדשה שהתפוצצה במאה ה-20.
גם למתכות וגם לפלסטיק יש תכונות המתאימות לשימוש תעשייתי ומסחרי. מתכות חזקות, קשיחות ובדרך כלל עמידות לאוויר, מים, חום ולחץ מתמיד. עם זאת, הן גם דורשות יותר משאבים (כלומר יקרות יותר) כדי לייצר ולשפר את מוצריהן. פלסטיק מספק חלק מהפונקציות של מתכת תוך שהוא דורש פחות מסה והוא זול מאוד לייצור. ניתן להתאים אישית את תכונותיו כמעט לכל שימוש. עם זאת, פלסטיק מסחרי זול מייצר חומרי מבנה נוראיים: מכשירי פלסטיק אינם דבר טוב, ואף אחד לא רוצה לגור בבית פלסטיק. בנוסף, הם לרוב מזוקקים מדלקים מאובנים.
ביישומים מסוימים, עץ טבעי יכול להתחרות במתכות ובפלסטיק. רוב בתי המשפחה בנויים על שלד עץ. הבעיה היא שעץ טבעי רך מדי וניזוק בקלות מדי על ידי מים מכדי להחליף פלסטיק ומתכת ברוב הזמן. מאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Matter בוחן את יצירתו של חומר עץ מוקשה שמתגבר על מגבלות אלו. מחקר זה הגיע לשיאו ביצירת סכינים ומסמרים מעץ. כמה טוב סכין העץ והאם תשתמשו בה בקרוב?
המבנה הסיבי של עץ מורכב מכ-50% תאית, פולימר טבעי בעל תכונות חוזק טובות תיאורטית. המחצית הנותרת של מבנה העץ מורכבת בעיקר מליגנין והמיצלולוז. בעוד שתאית יוצרת סיבים ארוכים וקשים המספקים לעץ את עמוד השדרה של חוזקו הטבעי, להמיצלולוז יש מבנה קוהרנטי מועט ולכן אינו תורם דבר לחוזקו של העץ. ליגנין ממלא את החללים בין סיבי התאית ומבצע משימות שימושיות לעץ חי. אך למטרת דחיסת עץ וקשירת סיבי התאית שלו חזק יותר זה לזה, ליגנין הפך למכשול.
במחקר זה, עץ טבעי הפך לעץ מוקשה (HW) בארבעה שלבים. ראשית, העץ מבושל בנתרן הידרוקסידי ונתרן גופרתי כדי להסיר חלק מההמיצלולוז והליגנין. לאחר טיפול כימי זה, העץ הופך צפוף יותר על ידי לחיצה עליו במכבש במשך מספר שעות בטמפרטורת החדר. זה מצמצם את הפערים או הנקבוביות הטבעיות בעץ ומשפר את הקשר הכימי בין סיבי תאית סמוכים. לאחר מכן, העץ מופעל בלחץ של 105 מעלות צלזיוס (221 מעלות פרנהייט) למשך מספר שעות נוספות כדי להשלים את הצפיפות, ולאחר מכן מיובש. לבסוף, העץ טובל בשמן מינרלי למשך 48 שעות כדי להפוך את המוצר המוגמר לאטום למים.
תכונה מכנית אחת של חומר מבני היא קשיות כניסה, שהיא מדד ליכולתו להתנגד לעיוות בעת לחיצה בכוח. יהלום קשה יותר מפלדה, קשה יותר מזהב, קשה יותר מעץ וקשה יותר מקצף אריזה. בין המבחנים ההנדסיים הרבים המשמשים לקביעת קשיות, כגון קשיות מוס המשמשת בגמולוגיה, מבחן ברינל הוא אחד מהם. הרעיון שלו פשוט: מיסב כדורי מתכת קשה נלחץ לתוך משטח הבדיקה בכוח מסוים. מדדו את קוטר הכניסה המעגלית שנוצרת על ידי הכדור. ערך קשיות ברינל מחושב באמצעות נוסחה מתמטית; באופן כללי, ככל שהחור שהכדור פוגע בו גדול יותר, כך 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 תכונותיו המבניות. המחברים השתמשו בהשריה מינרלית בת יומיים כדי להגביר את עמידות העץ למים, מה שהופך אותו להידרופובי יותר ("מפחד ממים"). מבחן ההידרופוביות כרוך בהנחת טיפת מים על משטח. ככל שהמשטח הידרופובי יותר, כך טיפות המים הופכות כדוריות יותר. לעומת זאת, משטח הידרופילי ("אוהב מים") מפזר את הטיפות בצורה שטוחה (ובכך סופג מים ביתר קלות). לכן, השריית מינרלים לא רק מגבירה משמעותית את ההידרופוביות של העץ, אלא גם מונעת מהעץ לספוג לחות.
בכמה בדיקות הנדסיות, סכיני HW ביצעו ביצועים מעט טובים יותר מסכיני מתכת. המחברים טוענים שסכין HW חדה פי שלושה בערך מסכין זמינה מסחרית. עם זאת, ישנה הסתייגות לתוצאה מעניינת זו. החוקרים משווים סכיני שולחן, או מה שאנו יכולים לכנות סכיני חמאה. אלה לא נועדו להיות חדים במיוחד. המחברים מציגים סרטון של הסכין שלהם חותך סטייק, אך מבוגר חזק למדי כנראה יוכל לחתוך את אותו סטייק עם הצד הקהה של מזלג מתכת, וסכין סטייק תעבוד הרבה יותר טוב.
ומה לגבי המסמרים? מסמר HW יחיד ניתן לדקור בקלות לתוך ערימה של שלושה קרשים, אם כי לא בצורה מדויקת כמו בקלות יחסית בהשוואה למסמרי ברזל. יתדות עץ יכולות להחזיק את הקרשים יחד, להתנגד לכוח שיקרע אותם לגזרים, בערך באותה קשיחות כמו יתדות ברזל. עם זאת, בבדיקות שלהם, הקרשים בשני המקרים נכשלו לפני שאחד המסמרים נכשל, כך שהמסמרים החזקים יותר לא נחשפו.
האם מסמרי HW טובים יותר במובנים אחרים? יתדות עץ קלות יותר, אך משקל המבנה אינו מונע בעיקר על ידי מסת היתדות המחזיקות אותו יחד. יתדות עץ לא יחלידו. עם זאת, הן לא יהיו אטומות למים או מתפרקות ביולוגית.
אין ספק שהמחבר פיתח תהליך לייצור עץ חזק יותר מעץ טבעי. עם זאת, התועלת של חומרה לכל עבודה מסוימת דורשת מחקר נוסף. האם היא יכולה להיות זולה ודורשת משאבים כמו פלסטיק? האם היא יכולה להתחרות בחפצי מתכת חזקים יותר, אטרקטיביים יותר, וניתנים לשימוש חוזר אינסופי? המחקר שלהם מעלה שאלות מעניינות. הנדסה מתמשכת (ובסופו של דבר השוק) תענה עליהן.