A természetes fa és fém évezredek óta nélkülözhetetlen építőanyagok az emberek számára. A műanyagoknak nevezett szintetikus polimerek a 20. században robbanásszerűen elterjedt találmányok.
Mind a fémek, mind a műanyagok olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek jól alkalmazhatók ipari és kereskedelmi felhasználásra. A fémek erősek, merevek, és általában ellenállnak a levegőnek, a víznek, a hőnek és az állandó igénybevételnek. Azonban több erőforrást (ami drágábbat jelent) igényelnek a termékeik előállításához és finomításához. A műanyag ellátja a fémek egyes funkcióit, miközben kisebb tömeget igényel, és nagyon olcsó előállítani. Tulajdonságaik szinte bármilyen felhasználásra testreszabhatók. Az olcsó kereskedelmi műanyagok azonban szörnyű szerkezeti anyagok: a műanyag készülékek nem jók, és senki sem akar műanyag házban élni. Ráadásul gyakran fosszilis tüzelőanyagokból finomítják őket.
Bizonyos alkalmazásokban a természetes fa versenyre kelhet a fémekkel és műanyagokkal. A legtöbb családi ház fa vázra épül. A probléma az, hogy a természetes fa túl puha és túl könnyen károsodik a vízben ahhoz, hogy a legtöbb esetben helyettesítse a műanyagot és a fémet. A Matter folyóiratban nemrég megjelent tanulmány egy olyan edzett faanyag létrehozását vizsgálja, amely leküzdheti ezeket a korlátokat. Ez a kutatás a fa kések és szögek megalkotásához vezetett. Mennyire jó a fa kés, és vajon használni fogja-e a közeljövőben?
A fa rostos szerkezete körülbelül 50%-ban cellulózból áll, amely egy természetes polimer elméletileg jó szilárdsági tulajdonságokkal. A fa szerkezetének fennmaradó fele főként ligninből és hemicellulózból áll. Míg a cellulóz hosszú, kemény rostokat alkot, amelyek a fa természetes szilárdságának gerincét adják, a hemicellulóznak kevés koherens szerkezete van, így semmit sem tesz hozzá a fa szilárdságához. A lignin kitölti a cellulózrostok közötti üregeket, és hasznos feladatokat lát el az élő fa számára. Az emberi fa tömörítésének és a cellulózrostok szorosabb összekötésének céljai szempontjából azonban a lignin akadályt jelentett.
Ebben a tanulmányban a természetes fát négy lépésben keményítették (HW). Először a fát nátrium-hidroxidban és nátrium-szulfátban forralták, hogy eltávolítsák a hemicellulóz és a lignin egy részét. Ezt a kémiai kezelést követően a fa tömörebbé válik, ha szobahőmérsékleten több órán át préselik. Ez csökkenti a fa természetes réseit vagy pórusait, és fokozza a szomszédos cellulózrostok közötti kémiai kötést. Ezután a fát további néhány órán át 105°C-on (221°F) nyomás alatt tartják a teljes tömörödés érdekében, majd szárítják. Végül a fát 48 órára ásványolajba merítik, hogy a késztermék vízállóvá váljon.
A szerkezeti anyagok egyik mechanikai tulajdonsága a benyomódási keménység, amely azt méri, hogy mennyire képes ellenállni a deformációnak, ha erőhatás éri. A gyémánt keményebb, mint az acél, keményebb, mint az arany, keményebb, mint a fa, és keményebb, mint a tömítőhab. A keménység meghatározására használt számos mérnöki vizsgálat közül, mint például a gemológiában használt Mohs-keménység, a Brinell-teszt az egyik. A koncepciója egyszerű: egy keményfém golyóscsapágyat bizonyos erővel a vizsgálati felületbe nyomnak. Mérje meg a golyó által létrehozott kör alakú bemélyedés átmérőjét. A Brinell-keménységi értéket egy matematikai képlettel számítják ki; durván fogalmazva, minél nagyobb lyukba ütközik a golyó, annál puhább az anyag. Ebben a vizsgálatban a HW 23-szor keményebb, mint a természetes fa.
A legtöbb kezeletlen természetes faanyag felszívja a vizet. Ez kitágíthatja a fát, és végül tönkreteheti szerkezeti tulajdonságait. A szerzők kétnapos ásványi áztatást alkalmaztak a HW vízállóságának növelésére, hidrofóbabbá („vízfélővé”) téve azt. A hidrofóbicitási teszt során egy csepp vizet helyeznek a felületre. Minél hidrofóbabb a felület, annál gömbölyűbbé válnak a vízcseppek. Egy hidrofil („vízkedvelő”) felület ezzel szemben elsimítja a cseppeket (és ennek következtében könnyebben felszívja a vizet). Ezért az ásványi áztatás nemcsak a HW hidrofóbicitását növeli jelentősen, hanem megakadályozza, hogy a fa felszívja a nedvességet.
Néhány mérnöki tesztben a kemény kések valamivel jobban teljesítettek, mint a fém kések. A szerzők azt állítják, hogy a kemény kés körülbelül háromszor olyan éles, mint egy kereskedelmi forgalomban kapható kés. Van azonban egy fenntartása ennek az érdekes eredménynek. A kutatók asztali késeket, vagy ahogy mi nevezhetnénk, vajkéseket hasonlítanak össze. Ezeknek nem kell különösebben élesnek lenniük. A szerzők egy videót mutatnak be arról, ahogy késsel steaket vágnak, de egy meglehetősen erős felnőtt valószínűleg el tudná vágni ugyanazt a steaket egy fémvilla tompa oldalával is, és egy steakkés sokkal jobban működne.
Mi a helyzet a szögekkel? Egyetlen keményfém szög könnyen beverhető egy három deszkából álló halomba, bár nem olyan részletesen, mint a vasszögeké. A facövekek ezután össze tudják tartani a deszkákat, ellenállva a szétszakító erőnek, körülbelül ugyanolyan szilárdsággal, mint a vascövekek. A tesztek során azonban mindkét esetben a deszkák hamarabb törtek el, mint bármelyik szög, így az erősebb szögek nem voltak kitéve.
Más szempontból is jobbak a keményfém szegek? A facövekek könnyebbek, de a szerkezet súlyát nem elsősorban a cövekek tömege határozza meg, amelyek összetartják. A facövekek nem rozsdásodnak. Azonban nem lesznek vízállóak vagy nem bomlanak le.
Kétségtelen, hogy a szerző kifejlesztett egy eljárást, amellyel a fa erősebbé tehető a természetes fánál. Azonban a vasalatok hasznossága bármely adott munkához további vizsgálatokat igényel. Lehet olyan olcsó és erőforrás-mentes, mint a műanyag? Versenyképes lehet-e az erősebb, vonzóbb, végtelenül újrafelhasználható fémtárgyakkal? Kutatásuk érdekes kérdéseket vet fel. A folyamatos mérnöki munka (és végső soron a piac) választ ad ezekre.
Közzététel ideje: 2022. április 13.
