Gỗ tự nhiên và kim loại đã là những vật liệu xây dựng thiết yếu đối với con người trong hàng nghìn năm. Các polyme tổng hợp mà chúng ta gọi là nhựa là một phát minh gần đây, bùng nổ trong thế kỷ 20.
Cả kim loại và nhựa đều có những đặc tính phù hợp cho việc sử dụng trong công nghiệp và thương mại. Kim loại bền, cứng và nhìn chung có khả năng chống chịu tốt với không khí, nước, nhiệt và ứng suất 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. 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 lại là vật liệu xây dựng tồi tệ: đồ gia dụng bằng nhựa không phải là lựa chọn tốt, và không ai muốn sống trong một ngôi nhà bằng nhựa. Thêm vào đó, 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 hư hại bởi nước 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 nghiên cứu việc tạo ra một loại vật liệu gỗ cứng khắc phục được những hạn chế này. Nghiên cứu này đã dẫn đến việc tạo ra dao và đinh bằng gỗ. Dao gỗ tốt đến mức nào và bạn có dự định 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 độ bền 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, dai cung cấp cho gỗ độ bền tự nhiên, hemicellulose lại có cấu trúc kém liên kết và do đó không đóng góp gì vào độ bền 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 của con người là nén chặt gỗ và liên kết các sợi cellulose lại với nhau chặt chẽ hơn, lignin lại trở thành một trở ngại.
Trong nghiên cứu này, gỗ tự nhiên được chế biến thành gỗ cứng (HW) qua bốn bước. Đầu tiên, gỗ được luộc trong dung dịch natri hydroxit và natri sulfat để loại bỏ một phần hemicellulose và lignin. Sau quá trình xử lý hóa học này, gỗ được làm đặc hơn bằng cách ép trong máy ép vài giờ ở nhiệt độ phòng. Điều này làm giảm các khe hở hoặc lỗ rỗng tự nhiên trong gỗ và tăng cường liên kết hóa học giữa các sợi cellulose liền kề. Tiếp theo, gỗ được ép ở nhiệt độ 105°C (221°F) trong vài giờ nữa để hoàn tất quá trình làm đặc, sau đó được sấy khô. Cuối cùng, gỗ được ngâm trong dầu khoáng trong 48 giờ để sản phẩm hoàn thiện có khả năng chống thấm nước.
Một trong những 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 xốp đóng gói. Trong số nhiều phép thử kỹ thuật được sử dụng để xác định độ cứng, chẳng hạn như độ cứng Mohs được sử dụng trong ngọc học, phép thử Brinell là một trong số đó. Khái niệm của nó rất đơn giản: một viên bi kim loại cứng được ấn vào bề mặt cần thử nghiệm với một lực nhất định. Đo đường kính của vết lõm hình tròn do viên bi tạo ra. Giá trị độ cứng Brinell được tính bằng một công thức toán học; nói một cách đại khái, lỗ mà viên bi tạo ra càng lớn thì vật liệu càng mềm. Trong phép thử này, HW cứng hơn gỗ tự nhiên 23 lần.
Hầu hết các loại 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 chất trong hai ngày để tăng khả năng chống nước của gỗ cứng, làm cho nó trở nên kỵ nước hơn (“sợ nước”). Thử nghiệm tính kỵ nước bao gồm việc nhỏ một giọt nước lên bề mặt. Bề mặt càng kỵ nước, các giọt nước càng có hình cầu. Ngược lại, bề mặt ưa nước (“thích nước”) sẽ làm cho các giọt nước lan rộng ra (và do đó hấp thụ nước dễ dàng hơn). Vì vậy, việc ngâm khoáng chất không chỉ làm tăng đáng kể tính kỵ nước của gỗ cứng 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 tuyên bố rằng dao HW sắc bén gấp khoảng ba lần so với dao bán sẵn trên thị trường. Tuy nhiên, có một điều cần lưu ý về 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 đặc biệt sắc bén. Các tác giả đã trình chiếu một video về con dao của họ cắt miếng bít tết, nhưng một người trưởng thành có sức mạnh tương đối tốt có thể cắt miếng bít tết tương tự bằng mặt cùn của một chiếc dĩa kim loại, và một con dao chuyên dụng để cắt bít tết sẽ hiệu quả hơn nhiều.
Còn về đinh thì sao? Một chiếc đinh HW có thể dễ dàng đóng vào chồng ba tấm ván, mặc dù không chi tiết bằng vì độ dễ dàng tương đối so với đinh sắt. Sau đó, các chốt gỗ có thể giữ các tấm ván lại với nhau, chống lại lực có thể xé chúng ra, với độ bền tương đương với chốt sắt. Tuy nhiên, trong các thử nghiệm của họ, các tấm ván trong cả hai trường hợp đều bị gãy trước khi bất kỳ chiếc đinh nào bị gãy, vì vậy những chiếc đinh chắc chắn hơn không bị lộ ra.
Đinh gỗ có những ưu điểm khác không? Cọc gỗ nhẹ hơn, nhưng trọng lượng của cấu trúc không chủ yếu do khối lượng của các cọc gỗ giữ các bộ phận lại với nhau quyết định. Cọc gỗ sẽ không bị gỉ. Tuy nhiên, nó sẽ không chống thấm nước hoặc phân hủy sinh học.
Không thể phủ nhận rằng tác giả đã phát triển một quy trình để làm cho gỗ cứng hơn cả gỗ tự nhiên. Tuy nhiên, tính hữu dụng của phần cứng cho bất kỳ công việc cụ thể nào cần được nghiên cứu thêm. Liệu nó có thể rẻ và tiết kiệm tài nguyên như nhựa không? Liệu nó có thể cạnh tranh với các vật dụng bằng kim loại chắc chắn hơn, đẹp hơn và có thể tái sử dụng vô hạn không? Nghiên cứu của họ đặt ra những câu hỏi thú vị. Kỹ thuật đang được tiến hành (và cuối cùng là thị trường) sẽ trả lời chúng.
Thời gian đăng bài: 13/04/2022
