Gỗ tự nhiên và kim loại đã là vật liệu xây dựng thiết yếu của con người trong hàng ngàn năm. Các loại polyme tổng hợp mà chúng ta gọi là nhựa là một phát minh gần đây đã bùng nổ vào thế kỷ 20.
Cả kim loại và nhựa đều có những đặc tính phù hợp cho mục đích sử dụng trong công nghiệp và thương mại. Kim loại bền, cứng và thường có khả năng đàn hồi với không khí, nước, nhiệt và ứng suất liên tục. Tuy nhiên, chúng cũng cần nhiều tài nguyên hơn (có nghĩa là đắt hơn) để sản xuất và tinh chế sản phẩm. Nhựa cung cấp một số chức năng của kim loại trong khi cần ít khối lượng hơn và rất rẻ để sản xuất. Các 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 những vật liệu kết cấu tồi: các thiết bị bằng nhựa không phải là một thứ tốt và 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 dễ bị nước làm hỏng nên không thể thay thế nhựa và kim loại trong hầu hết các trường hợp. Một bài báo gần đây được công bố trên tạp chí Matter đã khám phá việc tạo ra một vật liệu gỗ cứng có thể khắc phục những hạn chế này. Nghiên cứu này đã dẫn đến sự ra đời của dao và đinh gỗ. Dao gỗ tốt như thế nào và bạn có sử dụng nó trong thời gian tới không?
Cấu trúc sợi của gỗ bao gồm khoảng 50% cellulose, một loại polymer tự nhiên có đặc tính chịu lực tốt về mặt lý thuyết. Nửa còn lại của cấu trúc gỗ chủ yếu là lignin và hemicellulose. Trong khi cellulose tạo thành các sợi dài và cứng giúp gỗ có được sức mạnh tự nhiên, thì hemicellulose có ít cấu trúc mạch lạc và do đó không đóng góp gì cho sức mạnh của gỗ. Lignin lấp đầy các khoảng trống giữa các sợi cellulose và thực hiện các nhiệm vụ hữu ích cho gỗ sống. Nhưng đối với mục đích nén chặt gỗ và liên kết các sợi cellulose với nhau chặt chẽ hơn của con người, lignin đã trở thành một trở ngại.
Trong nghiên cứu này, gỗ tự nhiên được làm thành gỗ cứng (HW) qua bốn bước. Đầu tiên, gỗ được đun sôi trong natri hydroxit và natri sunfat để loại bỏ một số hemicellulose và lignin. Sau quá trình xử lý hóa học này, gỗ trở nên đặc hơn bằng cách ép trong máy ép trong vài giờ ở nhiệt độ phòng. Quá trình này làm giảm các khoảng trống hoặc lỗ rỗng tự nhiên trong gỗ và tăng cường liên kết hóa học giữa các sợi cellulose liền kề. Tiếp theo, gỗ được nén ở nhiệt độ 105° C (221° F) trong vài giờ nữa để hoàn tất quá trình cô đặc, sau đó sấy khô. Cuối cùng, gỗ được ngâm trong dầu khoáng trong 48 giờ để sản phẩm hoàn thiện không thấm nước.
Một tính chất cơ học của vật liệu kết cấu là độ cứng lõm, là thước đo khả năng chống biến dạng khi bị ép bằng lực. Kim cương cứng hơn thép, cứng hơn vàng, cứng hơn gỗ và cứng hơn xốp đóng gói. Trong số nhiều thử nghiệm kỹ thuật được sử dụng để xác định độ cứng, chẳng hạn như độ cứng Mohs được sử dụng trong ngành ngọc học, thử nghiệm Brinell là một trong số đó. Khái niệm của nó rất đơn giản: một ổ bi kim loại cứng được ấn vào bề mặt thử nghiệm với một lực nhất định. Đo đường kính của vết lõm tròn do viên bi tạo ra. Giá trị độ cứng Brinell được tính bằng công thức toán học; nói một cách đại khái, lỗ mà viên bi chạm vào 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 hấp thụ nước. Điều này có thể làm gỗ giãn nở 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 HW, khiến nó trở nên kỵ nước hơn ("sợ nước"). Thử nghiệm kỵ nước bao gồm việc nhỏ một giọt nước lên bề mặt. Bề mặt càng kỵ nước thì các giọt nước càng có hình cầu. Mặt khác, bề mặt ưa nước ("ưa nước") sẽ trải đều các giọt nước (và sau đó hấp thụ nước dễ dàng hơn). Do đó, việc ngâm khoáng không chỉ làm tăng đáng kể tính kỵ nước của HW mà còn ngăn gỗ hấp thụ độ ẩm.
Trong một số thử nghiệm kỹ thuật, dao HW hoạt động tốt hơn một chút so với dao kim loại. Các tác giả khẳng định rằng dao HW sắc hơn khoảng ba lần so với dao thương mại. Tuy nhiên, có một cảnh báo đối với kết quả thú vị này. Các nhà nghiên cứu đang so sánh dao ăn, hay còn gọi là dao phết bơ. Những loại dao này không được thiết kế để cắt bít tết một cách đặc biệt. Các tác giả trình chiếu một đoạn video quay cảnh dao của họ cắt bít tết, nhưng một người trưởng thành tương đối khỏe mạnh có thể cắt được miếng bít tết đó bằng mặt cùn của nĩa kim loại, và một con dao cắt bít tết sẽ hiệu quả hơn nhiều.
Còn đinh thì sao? Có thể dễ dàng đóng một chiếc đinh HW vào một chồng ba tấm ván, mặc dù không chi tiết bằng đinh sắt, nhưng vẫn dễ hơn nhiều. Chốt gỗ có thể giữ các tấm ván lại với nhau, chịu được lực xé chúng ra, với độ bền tương đương với chốt sắt. Tuy nhiên, trong các thử nghiệm của họ, ở cả hai trường hợp, các tấm ván đều hỏng trước khi đinh hỏng, do đó, những chiếc đinh chắc chắn hơn không bị lộ ra.
Đinh HW có tốt hơn theo những cách nào khác không? Chốt gỗ nhẹ hơn, nhưng trọng lượng của cấu trúc không chủ yếu do khối lượng của chốt giữ chặt. Chốt gỗ sẽ không bị gỉ. Tuy nhiên, nó sẽ không chống thấm nước hoặc phân hủy sinh học.
Không còn nghi ngờ gì nữa, tác giả đã phát triển một quy trình làm cho gỗ cứng hơn gỗ tự nhiên. Tuy nhiên, tính hữu dụng của phần cứng cho bất kỳ công việc cụ thể nào đều cần được nghiên cứu thêm. Liệu nó có rẻ và ít tốn tài nguyên như nhựa không? Liệu nó có thể cạnh tranh với các vật thể kim loại bền hơn, hấp dẫn hơn và có thể tái sử dụng vô hạn không? Nghiên cứu của họ đặt ra những câu hỏi thú vị. Kỹ thuật hiện tại (và cuối cùng là thị trường) sẽ trả lời những câu hỏi đó.
Thời gian đăng: 13-04-2022
