Gỗ và kim loại tự nhiên là vật liệu xây dựng thiết yếu cho con người trong hàng ngàn năm. Các polyme tổng hợp mà chúng ta gọi là nhựa là một phát minh gần đây đã bùng nổ trong thế kỷ 20.
Cả kim loại và nhựa đều có những đặc tính rất phù hợp cho sử dụng trong công nghiệp và thương mại. Kim loại bền, cứng và thường có khả năng đàn hồi trước không khí, nước, nhiệt và áp lực liên tục. Tuy nhiên, chúng cũng đòi hỏi nhiều tài nguyên hơn (có nghĩa là đắt hơn) để sản xuất và tinh chế sản phẩm của họ. Nhựa cung cấp một số chức năng của kim loại trong khi yêu cầu khối lượng ít hơn và sản xuất rất rẻ. Đặc tính của chúng có thể được tùy chỉnh cho hầu hết mọi mục đích sử dụng. Tuy nhiên, nhựa thương mại giá rẻ tạo ra vật liệu kết cấu khủng khiếp: các thiết bị bằng nhựa không phải là một điều tốt là không ai muốn sống trong một ngôi nhà bằng nhựa. Ngoài ra, chúng thường được tinh chế từ nhiên liệu hóa thạch.
Trong một số ứng dụng, gỗ tự nhiên có thể cạnh tranh với kim loại và nhựa. Hầu hết các ngôi nhà gia đình đều được xây dựng trên khung gỗ. Vấn đề là gỗ tự nhiên quá mềm và quá dễ bị hư hỏng do nước để thay thế nhựa và kim loại trong hầu hết thời gian. Một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí Matter khám phá việc tạo ra một loại vật liệu gỗ cứng có thể khắc phục những hạn chế này. Nghiên cứu này lên đến đỉnh điểm là việc tạo ra dao và đinh bằng gỗ. Con dao gỗ tốt như thế nào và bạn sẽ sớm sử dụng nó chứ?
Cấu trúc sợi của gỗ bao gồm khoảng 50% cellulose, một loại polymer tự nhiên có đặc tính độ bền tốt về mặt lý thuyết. Nửa còn lại của cấu trúc gỗ chủ yếu là lignin và hemiaellulose. Trong khi cellulose tạo thành các sợi dài và dai cung cấp cho gỗ khung xương tự nhiên của nó. về độ bền, hemicellulose có ít cấu trúc mạch lạc và do đó không đóng góp gì vào độ bền của gỗ. Lignin lấp đầy khoảng trống giữa các sợi xenlulo và thực hiện các nhiệm vụ hữu ích cho gỗ sống. Nhưng vì mục đích của con người là nén gỗ và liên kết các sợi xenlulo chặt chẽ hơn với nhau, lignin đã trở thành một trở ngại.
Trong nghiên cứu này, gỗ tự nhiên được chế tạo thành gỗ cứng (HW) theo bốn bước. Đầu tiên, gỗ được đun sôi trong natri hydroxit và natri sunfat để loại bỏ một số hemiaellulose và lignin. Sau quá trình xử lý hóa học này, gỗ trở nên đặc hơn bằng cách ép nó được ép trong vài giờ ở nhiệt độ phòng. Điều này làm giảm các khoảng trống hoặc lỗ chân lông tự nhiên trong gỗ và tăng cường liên kết hóa học giữa các sợi xenlulo lân cận. Tiếp theo, gỗ được điều áp ở 105° C (221° F) trong một vài phút nữa giờ để hoàn thành quá trình nén chặt, sau đó sấy khô. Cuối cùng, gỗ được ngâm trong dầu khoáng trong 48 giờ để thành phẩm không thấm nước.
Một đặc tính cơ học của vật liệu kết cấu là độ cứng vết lõm, là thước đo khả năng chống biến dạng khi bị ép bởi lực. Kim cương cứng hơn thép, cứng hơn vàng, cứng hơn gỗ và cứng hơn bọt xốp đóng gói. Trong số rất nhiều kỹ thuật các thử nghiệm được sử dụng để xác định độ cứng, chẳng hạn như độ cứng Mohs được sử dụng trong đá quý, thử nghiệm Brinell là một trong số đó. Khái niệm của nó rất đơn giản: một ổ bi kim loại cứng được ép vào bề mặt thử nghiệm với một lực nhất định. Đo đường kính của hình tròn vết lõm do quả bóng tạo ra. Giá trị độ cứng Brinell được tính bằng công thức toán học; Nói một cách đại khái, quả bóng chạm vào lỗ càng lớn thì vật liệu càng mềm. Trong thử nghiệm này, HW cứng hơn gỗ tự nhiên 23 lần.
Hầu hết gỗ tự nhiên chưa qua xử lý sẽ hút nước. Điều này có thể làm gỗ nở ra và cuối cùng phá hủy các đặc tính cấu trúc của nó. Các tác giả đã sử dụng phương pháp ngâm khoáng trong hai ngày để tăng khả năng chống nước của CTNH, khiến nó trở nên kỵ nước hơn (“sợ nước”). Thử nghiệm tính kỵ nước bao gồm việc đặt một giọt nước lên một bề mặt. Bề mặt càng kỵ nước thì các giọt nước càng trở thành hình cầu. Mặt khác, bề mặt ưa nước (“ái nước”) sẽ làm phẳng các giọt nước (và sau đó là hấp thụ nước dễ dàng hơn). Vì vậy, việc ngâm khoáng không chỉ làm tăng đáng kể tính kỵ nước của CTNH mà còn khiến gỗ không thể hấp thụ độ ẩm.
Trong một số thử nghiệm kỹ thuật, dao CTNH hoạt động tốt hơn một chút so với dao kim loại. Các tác giả khẳng định rằng dao CTNH sắc gấp khoảng ba lần so với dao bán trên thị trường. Tuy nhiên, có một cảnh báo trước về kết quả thú vị này. Các nhà nghiên cứu đang so sánh dao để bàn, hoặc cái mà chúng ta có thể gọi là dao cắt bơ. Những con dao này không có nghĩa là đặc biệt sắc bén. Các tác giả chiếu một đoạn video về con dao của họ đang cắt một miếng bít tết, nhưng một người trưởng thành có sức khỏe vừa phải có thể cắt miếng bít tết tương tự bằng mặt xỉn của một chiếc nĩa kim loại, và một con dao bít tết sẽ hoạt động tốt hơn nhiều.
Còn những chiếc đinh thì sao? Một chiếc đinh CTNH đơn lẻ dường như có thể dễ dàng được đóng thành một chồng gồm ba tấm ván, mặc dù không chi tiết lắm vì nó tương đối dễ dàng so với những chiếc đinh sắt. Sau đó, các chốt gỗ có thể giữ các tấm ván lại với nhau, chống lại lực có thể làm rách chúng tách rời nhau, với độ dẻo dai tương đương với những chiếc chốt sắt. Tuy nhiên, trong các thử nghiệm của họ, các tấm ván trong cả hai trường hợp đều bị hỏng trước khi một trong hai chiếc đinh bị hỏng, do đó những chiếc đinh chắc chắn hơn không bị lộ ra.
Móng tay CTNH có tốt hơn theo những cách khác không? Chốt gỗ nhẹ hơn, nhưng trọng lượng của cấu trúc không chủ yếu được điều khiển bởi khối lượng của các chốt giữ nó lại với nhau. Chốt gỗ sẽ không bị rỉ sét. Tuy nhiên, nó sẽ không thấm nước hoặc phân hủy sinh học.
Không còn nghi ngờ gì nữa, tác giả đã phát triển một quy trình để làm cho gỗ bền hơn gỗ tự nhiên. Tuy nhiên, tiện ích của phần cứng đối với bất kỳ công việc cụ thể nào cũng cần được nghiên cứu thêm. Liệu nó có rẻ và ít tốn tài nguyên như nhựa không? Liệu nó có thể cạnh tranh với những loại gỗ bền hơn không? , hấp dẫn hơn, các vật thể kim loại có thể tái sử dụng vô hạn? Nghiên cứu của họ đặt ra những câu hỏi thú vị. Kỹ thuật đang tiến hành (và cuối cùng là thị trường) sẽ trả lời chúng.
Thời gian đăng: 13-04-2022
