Il legno e il metallo naturali sono stati materiali da costruzione essenziali per l'uomo per migliaia di anni. I polimeri sintetici che chiamiamo plastica sono un'invenzione recente, che ha avuto un'esplosione nel XX secolo.
Sia i metalli che le plastiche hanno proprietà adatte all'uso industriale e commerciale. I metalli sono forti, rigidi e generalmente resistenti all'aria, all'acqua, al calore e allo stress costante. Tuttavia, richiedono anche più risorse (il che significa più costosi) per produrre e raffinare i loro prodotti. La plastica fornisce alcune delle funzioni del metallo, richiedendo meno massa ed è molto economica da produrre. Le loro proprietà possono essere personalizzate per quasi qualsiasi uso. Tuttavia, le plastiche commerciali economiche sono pessimi materiali strutturali: gli elettrodomestici di plastica non sono una buona cosa e nessuno vuole vivere in una casa di plastica. Inoltre, vengono spesso raffinati da combustibili fossili.
In alcune applicazioni, il legno naturale può competere con metalli e plastica. La maggior parte delle case è costruita su una struttura in legno. Il problema è che il legno naturale è troppo morbido e si danneggia troppo facilmente con l'acqua per sostituire la plastica e il metallo nella maggior parte dei casi. Un recente articolo pubblicato sulla rivista Matter esplora la creazione di un materiale in legno temprato che supera queste limitazioni. Questa ricerca è culminata nella creazione di coltelli e chiodi in legno. Quanto è buono il coltello in legno e lo userai presto?
La struttura fibrosa del legno è composta per circa il 50% da cellulosa, un polimero naturale con proprietà di resistenza teoricamente buone. La restante metà della struttura del legno è composta principalmente da lignina ed emicellulosa. Mentre la cellulosa forma fibre lunghe e resistenti che forniscono al legno la struttura portante della sua resistenza naturale, l'emicellulosa ha una struttura poco coerente e quindi non contribuisce in alcun modo alla resistenza del legno. La lignina riempie i vuoti tra le fibre di cellulosa e svolge funzioni utili per il legno vivo. Tuttavia, per lo scopo dell'uomo di compattare il legno e legare più strettamente le sue fibre di cellulosa, la lignina è diventata un ostacolo.
In questo studio, il legno naturale è stato trasformato in legno indurito (HW) in quattro fasi. Innanzitutto, il legno viene bollito in idrossido di sodio e solfato di sodio per rimuovere parte dell'emicellulosa e della lignina. Dopo questo trattamento chimico, il legno diventa più denso pressandolo in una pressa per diverse ore a temperatura ambiente. Ciò riduce gli spazi o i pori naturali nel legno e migliora il legame chimico tra le fibre di cellulosa adiacenti. Successivamente, il legno viene pressurizzato a 105 °C (221 °F) per alcune ore in più per completare la densificazione, quindi essiccato. Infine, il legno viene immerso in olio minerale per 48 ore per rendere il prodotto finito impermeabile.
Una proprietà meccanica di un materiale strutturale è la durezza all'indentazione, che è una misura della sua capacità di resistere alla deformazione quando viene compresso con forza. Il diamante è più duro dell'acciaio, più duro dell'oro, più duro del legno e più duro della schiuma da imballaggio. Tra i numerosi test ingegneristici utilizzati per determinare la durezza, come la durezza Mohs utilizzata in gemmologia, il test Brinell è uno di questi. Il suo concetto è semplice: una sfera di metallo duro viene premuta sulla superficie di prova con una certa forza. Misurare il diametro dell'indentazione circolare creata dalla sfera. Il valore di durezza Brinell viene calcolato utilizzando una formula matematica; in parole povere, più grande è il foro colpito dalla sfera, più morbido è il materiale. In questo test, l'HW è 23 volte più duro del legno naturale.
La maggior parte del legno naturale non trattato assorbe acqua. Questo può espandere il legno e alla fine distruggerne le proprietà strutturali. Gli autori hanno utilizzato un ammollo minerale di due giorni per aumentare la resistenza all'acqua del legno HW, rendendolo più idrofobico ("teme l'acqua"). Il test di idrofobicità consiste nel posizionare una goccia d'acqua su una superficie. Più la superficie è idrofobica, più sferiche diventano le gocce d'acqua. Una superficie idrofila ("amante dell'acqua"), d'altra parte, distribuisce le gocce in modo piatto (e di conseguenza assorbe l'acqua più facilmente). Pertanto, l'ammollo minerale non solo aumenta significativamente l'idrofobicità del legno HW, ma impedisce anche al legno di assorbire umidità.
In alcuni test ingegneristici, i coltelli HW hanno avuto prestazioni leggermente migliori rispetto ai coltelli in metallo. Gli autori affermano che il coltello HW è circa tre volte più affilato di un coltello disponibile in commercio. Tuttavia, c'è una precisazione su questo interessante risultato. I ricercatori stanno confrontando i coltelli da tavola, o quelli che potremmo chiamare coltelli da burro. Questi non sono pensati per essere particolarmente affilati. Gli autori mostrano un video del loro coltello che taglia una bistecca, ma un adulto ragionevolmente forte potrebbe probabilmente tagliare la stessa bistecca con il lato smussato di una forchetta di metallo, e un coltello da bistecca funzionerebbe molto meglio.
E i chiodi? A quanto pare, un singolo chiodo HW può essere facilmente piantato in una pila di tre assi, anche se non con la stessa precisione con cui è relativamente facile con i chiodi di ferro. I pioli di legno possono quindi tenere insieme le assi, resistendo alla forza che le strapperebbe, con circa la stessa tenacia dei pioli di ferro. Nei loro test, tuttavia, le assi in entrambi i casi hanno ceduto prima che uno dei chiodi si rompesse, quindi i chiodi più resistenti non sono rimasti esposti.
I chiodi HW sono migliori anche sotto altri aspetti? I pioli di legno sono più leggeri, ma il peso della struttura non è dovuto principalmente alla massa dei pioli che la tengono insieme. I pioli di legno non arrugginiscono. Tuttavia, non sono impermeabili all'acqua e non si biodecompongono.
Non c'è dubbio che l'autore abbia sviluppato un processo per rendere il legno più resistente del legno naturale. Tuttavia, l'utilità dell'hardware per un lavoro specifico richiede ulteriori studi. Può essere economico e privo di risorse come la plastica? Può competere con oggetti metallici più resistenti, più belli e infinitamente riutilizzabili? La loro ricerca solleva domande interessanti. L'ingegneria in corso (e in ultima analisi il mercato) darà risposta a queste domande.
Data di pubblicazione: 13-04-2022
