Natuerlik hout en metaal binne al tûzenen jierren essensjele boumaterialen foar minsken. De syntetyske polymearen dy't wy plestik neame, binne in resinte útfining dy't yn 'e 20e iuw eksplodearre.
Sawol metalen as plestik hawwe eigenskippen dy't goed geskikt binne foar yndustrieel en kommersjeel gebrûk. Metalen binne sterk, stiif en oer it algemien bestand tsjin loft, wetter, waarmte en konstante stress. Se hawwe lykwols ek mear boarnen nedich (wat djoerder betsjut) om har produkten te produsearjen en te ferfine. Plestik leveret guon fan 'e funksjes fan metaal, wylst it minder massa fereasket en heul goedkeap is om te produsearjen. Harren eigenskippen kinne oanpast wurde foar hast elk gebrûk. Goedkeape kommersjele plestik meitsje lykwols ferskriklike strukturele materialen: plestik apparaten binne gjin goed ding, en nimmen wol yn in plestik hûs wenje. Derneist wurde se faak ferfine út fossile brânstoffen.
Yn guon tapassingen kin natuerlik hout konkurrearje mei metalen en plestik. De measte gesinshuzen binne boud op houten frames. It probleem is dat natuerlik hout te sêft is en te maklik skansearre wurdt troch wetter om plestik en metaal meastentiids te ferfangen. In resint artikel publisearre yn it tydskrift Matter ûndersiket de skepping fan in ferhurde houtmateriaal dat dizze beheiningen oerwint. Dit ûndersyk kulminearre yn 'e skepping fan houten messen en spikers. Hoe goed is it houten mes en sille jo it gau brûke?
De fezelstruktuer fan hout bestiet foar sawat 50% út cellulose, in natuerlik polymeer mei teoretysk goede sterkte-eigenskippen. De oerbleaune helte fan 'e houten struktuer bestiet benammen út lignine en hemicellulose. Wylst cellulose lange, taaie fezels foarmet dy't hout de rêchbonke fan syn natuerlike sterkte jouwe, hat hemicellulose in bytsje in gearhingjende struktuer en draacht dêrom neat by oan 'e sterkte fan it hout. Lignine follet de gatten tusken cellulosevezels en docht nuttige taken foar libbend hout. Mar foar it doel fan minsken om hout te komprimearjen en syn cellulosevezels strakker byinoar te binen, waard lignine in hinder.
Yn dizze stúdzje waard natuerlik hout yn fjouwer stappen ta ferhurde hout (HW) makke. Earst wurdt it hout kocht yn natriumhydrokside en natriumsulfaat om wat fan 'e hemicellulose en lignine te ferwiderjen. Nei dizze gemyske behanneling wurdt it hout tichter troch it ferskate oeren yn in parse by keamertemperatuer te parsen. Dit ferminderet de natuerlike gatten of poaren yn it hout en ferbetteret de gemyske ferbining tusken oanswettende cellulosevezels. Dêrnei wurdt it hout noch in pear oeren ûnder druk set by 105 °C (221 °F) om de ferdichting te foltôgjen, en dan droege. Uteinlik wurdt it hout 48 oeren yn minerale oalje ûnderdompele om it ôfmakke produkt wetterdicht te meitsjen.
Ien meganyske eigenskip fan in struktureel materiaal is yndrukhurdens, wat in mjitte is fan syn fermogen om deformaasje te wjerstean as it mei krêft yndrukt wurdt. Diamant is hurder as stiel, hurder as goud, hurder as hout en hurder as pakkingsfoam. Under de protte yngenieurstests dy't brûkt wurde om hurdens te bepalen, lykas de Mohs-hurdens dy't brûkt wurdt yn gemology, is de Brinell-test ien fan har. It konsept is ienfâldich: in hurde metalen kûgellager wurdt mei in bepaalde krêft yn it testflak drukt. Mjit de diameter fan 'e sirkelfoarmige yndruk dy't troch de bal makke wurdt. De Brinell-hurdenswearde wurdt berekkene mei in wiskundige formule; rûchwei, hoe grutter it gat dat de bal rekket, hoe sêfter it materiaal. Yn dizze test is HW 23 kear hurder as natuerlik hout.
It measte ûnbehannele natuerlike hout sil wetter opnimme. Dit kin it hout útwreidzje en úteinlik syn strukturele eigenskippen ferneatigje. De auteurs brûkten in twa-dagen mineraalweek om de wetterresistinsje fan 'e HW te fergrutsjen, wêrtroch it mear hydrofoob ("bang foar wetter") wurdt. De hydrofobisiteitstest omfettet it pleatsen fan in drip wetter op in oerflak. Hoe hydrofober it oerflak, hoe bolfoarmiger de wetterdrippen wurde. In hydrofiel ("wetterleafhawwend") oerflak, oan 'e oare kant, ferspriedt de drippen flak (en nimt dêrnei makliker wetter op). Dêrom fergruttet mineraalweek net allinich de hydrofobisiteit fan 'e HW signifikant, mar foarkomt it ek dat it hout focht opnimt.
Yn guon yngenieurstests prestearren HW-messen wat better as metalen messen. De auteurs beweare dat it HW-mes sawat trije kear sa skerp is as in kommersjeel beskikber mes. D'r is lykwols in kanttekening by dit nijsgjirrige resultaat. Undersykers fergelykje tafelmessen, of wat wy bûtermessen neame kinne. Dizze binne net bedoeld om bysûnder skerp te wêzen. De auteurs litte in fideo sjen fan har mes dat in steak snijt, mar in ridlik sterke folwoeksene soe wierskynlik deselde steak snije kinne mei de stompe kant fan in metalen foarke, en in steakmes soe folle better wurkje.
Hoe sit it mei de spikers? Ien HW-spiker kin blykber maklik yn in stapel fan trije planken hammere wurde, hoewol net sa detaillearre as relatyf maklik yn ferliking mei izeren spikers. Houten pinnen kinne dan de planken byinoar hâlde, wêrby't se de krêft wjerstean dy't se útinoar skuorre soe, mei sawat deselde taaiens as izeren pinnen. Yn har testen binne de planken lykwols yn beide gefallen mislearre foardat ien fan 'e spikers mislearre, sadat de sterkere spikers net bleatlein waarden.
Binne HW-nagels op oare manieren better? Houten pinnen binne lichter, mar it gewicht fan 'e struktuer wurdt net primêr oandreaun troch de massa fan 'e pinnen dy't it byinoar hâlde. Houten pinnen sille net roaste. It sil lykwols net ûngefoelich wêze foar wetter of bio-ûntbining.
Der is gjin twifel dat de auteur in proses ûntwikkele hat om hout sterker te meitsjen as natuerlik hout. It nut fan hardware foar elke bepaalde baan fereasket lykwols fierdere stúdzje. Kin it sa goedkeap en boarne-leas wêze as plestik? Kin it konkurrearje mei sterkere, oantrekliker, ûneinich werbrûkbere metalen objekten? Harren ûndersyk ropt nijsgjirrige fragen op. Oanhâldende technyk (en úteinlik de merk) sil se beantwurdzje.
Pleatsingstiid: 13 april 2022
