Naturaalne puit ja metall on olnud inimestele olulised ehitusmaterjalid tuhandeid aastaid. Sünteetilised polümeerid, mida me nimetame plastiks, on hiljutine leiutis, mis levis plahvatuslikult 20. sajandil.
Nii metallidel kui ka plastidel on omadused, mis sobivad hästi tööstuslikuks ja kaubanduslikuks kasutamiseks. Metallid on tugevad, jäigad ja üldiselt vastupidavad õhule, veele, kuumusele ja pidevale pingele. Siiski vajavad nad ka rohkem ressursse (mis tähendab kallimat hinda) oma toodete tootmiseks ja täiustamiseks. Plastik täidab mõningaid metalli funktsioone, nõudes samal ajal väiksemat massi ja on väga odav toota. Nende omadusi saab kohandada peaaegu iga otstarbe jaoks. Odavatest kaubanduslikest plastidest saab aga kohutavaid konstruktsioonimaterjale: plastmassist kodumasinad pole head ja keegi ei taha elada plastmajas. Lisaks töödeldakse neid sageli fossiilkütustest.
Mõnes rakenduses suudab naturaalne puit konkureerida metallide ja plastidega. Enamik pereelamuid on ehitatud puitkarkassile. Probleem on selles, et naturaalne puit on liiga pehme ja vee poolt liiga kergesti kahjustatav, et enamasti plastikut ja metalli asendada. Hiljuti ajakirjas Matter avaldatud artiklis uuritakse karastatud puitmaterjali loomist, mis ületab need piirangud. See uuring kulmineerus puidust nugade ja naelte loomisega. Kui hea on puidust nuga ja kas te kasutate seda varsti?
Puidu kiuline struktuur koosneb umbes 50% ulatuses tselluloosist, mis on looduslik polümeer teoreetiliselt heade tugevusomadustega. Ülejäänud pool puitstruktuurist on peamiselt ligniin ja hemitselluloos. Kui tselluloos moodustab pikki ja tugevaid kiude, mis annavad puidule selle loomuliku tugevuse selgroo, siis hemitselluloosil on vähe sidusat struktuuri ja seega ei panusta see puidu tugevusse. Ligniin täidab tselluloosikiudude vahelised tühimikud ja täidab elava puidu jaoks kasulikke ülesandeid. Kuid inimeste eesmärgi saavutamiseks puidu tihendamiseks ja selle tsellulooskiude tihedamaks sidumiseks sai ligniin takistuseks.
Selles uuringus töödeldi naturaalset puitu neljas etapis karastatud puiduks (HW). Esmalt keedetakse puitu naatriumhüdroksiidis ja naatriumsulfaadis, et eemaldada osa hemitselluloosist ja ligniinist. Pärast seda keemilist töötlemist muutub puit tihedamaks, pressides seda mitu tundi toatemperatuuril. See vähendab puidus olevaid looduslikke tühimikke või poore ja parandab keemilist sidet külgnevate tsellulooskiudude vahel. Seejärel survestatakse puitu veel paar tundi temperatuuril 105 °C (221 °F), et tihendamine lõpule viia, ja seejärel kuivatatakse. Lõpuks kastetakse puitu 48 tunniks mineraalõlisse, et muuta valmistoode veekindlaks.
Üks konstruktsioonimaterjali mehaaniline omadus on taanduskõvadus, mis mõõdab selle võimet deformatsioonile vastu seista jõuga pigistamisel. Teemant on kõvem kui teras, kõvem kui kuld, kõvem kui puit ja kõvem kui täitevaht. Paljude kõvaduse määramiseks kasutatavate inseneritestide, näiteks gemoloogias kasutatava Mohsi kõvaduse hulgas on Brinelli test üks neist. Selle kontseptsioon on lihtne: kõva metallkuullaagrit surutakse teatud jõuga katsepinnale. Mõõdetakse kuuli tekitatud ümmarguse taande läbimõõtu. Brinelli kõvaduse väärtus arvutatakse matemaatilise valemi abil; laias laastus öeldes, mida suuremasse auku kuul tabab, seda pehmem on materjal. Selles testis on HW 23 korda kõvem kui naturaalne puit.
Enamik töötlemata naturaalsest puidust imab vett. See võib puitu paisutada ja lõpuks hävitada selle struktuurilised omadused. Autorid kasutasid kõva puidu veekindluse suurendamiseks kahepäevast mineraalleotust, muutes selle hüdrofoobsemaks („vett kardavaks“). Hüdrofoobsuse test hõlmab veetilga asetamist pinnale. Mida hüdrofoobsem on pind, seda sfäärilisemaks muutuvad veepiisad. Hüdrofiilne („vett armastav“) pind seevastu jaotab tilgad ühtlaselt laiali (ja imab seejärel vett kergemini). Seega mineraalleotamine mitte ainult ei suurenda oluliselt kõva puidu hüdrofoobsust, vaid takistab ka puidul niiskuse imendumist.
Mõnedes inseneritestides toimisid kõvad noad veidi paremini kui metallnoad. Autorid väidavad, et kõva nuga on umbes kolm korda teravam kui kaubanduslikult saadaval olev nuga. Sellel huvitaval tulemusel on aga üks hoiatus. Teadlased võrdlevad lauanuge ehk võinuge. Need ei ole mõeldud olema eriti teravad. Autorid näitavad videot, kus nende nuga lõikab praadi, kuid mõistlikult tugev täiskasvanu suudaks sama praadi tõenäoliselt lõigata ka metallkahvli nüri küljega ja praadinuga töötaks palju paremini.
Aga naeltega? Ühe kõvast terasest naela saab ilmselt kergesti kolmest plangust koosnevaks virnaks lüüa, kuigi see pole nii detailne kui raudnaeltega võrreldes. Puidust tihvtid hoiavad planke koos, pidades vastu jõule, mis neid rebiks, umbes sama tugevalt kui raudnaelad. Nende katsetes purunesid aga mõlemal juhul lauad enne, kui kumbki nael purunes, seega tugevamad naelad ei paljastunud.
Kas kõvakattega naelad on muul moel paremad? Puidust naelad on kergemad, kuid konstruktsiooni kaal ei tulene peamiselt seda koos hoidvate naelade massist. Puidust naelad ei roosteta. Siiski ei ole need veekindlad ega biolagunemiskindlad.
Pole kahtlustki, et autor on välja töötanud protsessi, mis muudab puidu naturaalsest puidust tugevamaks. Riistvara kasulikkus mis tahes konkreetse töö jaoks vajab aga edasist uurimist. Kas see saab olla sama odav ja ressursivaene kui plastik? Kas see suudab konkureerida tugevamate, atraktiivsemate ja lõputult korduvkasutatavate metallesemetega? Nende uuringud tõstatavad huvitavaid küsimusi. Käimasolev inseneritöö (ja lõpuks ka turg) annab neile vastused.
Postituse aeg: 13. aprill 2022
