Kayu dan logam asli telah menjadi bahan binaan penting bagi manusia selama ribuan tahun. Polimer sintetik yang kita panggil plastik merupakan ciptaan terbaru yang meledak pada abad ke-20.
Kedua-dua logam dan plastik mempunyai sifat yang sangat sesuai untuk kegunaan perindustrian dan komersial. Logam kuat, tegar dan umumnya tahan terhadap udara, air, haba dan tekanan berterusan. Walau bagaimanapun, ia juga memerlukan lebih banyak sumber (yang bermaksud lebih mahal) untuk menghasilkan dan memperhalusi produknya. Plastik menyediakan beberapa fungsi logam sambil memerlukan jisim yang lebih sedikit dan sangat murah untuk dihasilkan. Sifatnya boleh disesuaikan untuk hampir semua kegunaan. Walau bagaimanapun, plastik komersial yang murah menghasilkan bahan struktur yang teruk: peralatan plastik bukanlah perkara yang baik dan tiada siapa yang mahu tinggal di rumah plastik. Selain itu, ia sering ditapis daripada bahan api fosil.
Dalam sesetengah aplikasi, kayu asli boleh bersaing dengan logam dan plastik. Kebanyakan rumah keluarga dibina di atas rangka kayu. Masalahnya ialah kayu asli terlalu lembut dan terlalu mudah rosak oleh air untuk menggantikan plastik dan logam pada kebanyakan masa. Satu kertas kerja baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal Matter meneroka penciptaan bahan kayu yang dikeraskan yang mengatasi batasan ini. Kajian ini memuncak dalam penciptaan pisau dan paku kayu. Seberapa baguskah pisau kayu dan adakah anda akan menggunakannya dalam masa terdekat?
Struktur berserat kayu terdiri daripada kira-kira 50% selulosa, polimer semula jadi dengan sifat kekuatan yang baik secara teorinya. Separuh lagi struktur kayu terutamanya lignin dan hemiselulosa. Walaupun selulosa membentuk gentian yang panjang dan tahan lasak yang memberikan kayu tulang belakang kekuatan semula jadinya, hemiselulosa mempunyai struktur yang sedikit koheren dan oleh itu tidak menyumbang apa-apa kepada kekuatan kayu. Lignin mengisi lompang antara gentian selulosa dan melakukan tugas yang berguna untuk kayu hidup. Tetapi untuk tujuan manusia memampatkan kayu dan mengikat gentian selulosanya dengan lebih erat, lignin menjadi penghalang.
Dalam kajian ini, kayu asli telah dibuat menjadi kayu keras (HW) dalam empat langkah. Pertama, kayu direbus dalam natrium hidroksida dan natrium sulfat untuk menyingkirkan sebahagian hemiselulosa dan lignin. Selepas rawatan kimia ini, kayu menjadi lebih padat dengan menekannya dalam mesin cetak selama beberapa jam pada suhu bilik. Ini mengurangkan jurang atau liang semula jadi pada kayu dan meningkatkan ikatan kimia antara gentian selulosa bersebelahan. Seterusnya, kayu ditekan pada suhu 105° C (221° F) selama beberapa jam lagi untuk melengkapkan pemadatan, dan kemudian dikeringkan. Akhir sekali, kayu direndam dalam minyak mineral selama 48 jam untuk menjadikan produk siap kalis air.
Satu sifat mekanikal bahan struktur ialah kekerasan lekukan, yang merupakan ukuran keupayaannya untuk menahan ubah bentuk apabila dihimpit oleh daya. Berlian lebih keras daripada keluli, lebih keras daripada emas, lebih keras daripada kayu, dan lebih keras daripada busa pembungkusan. Antara banyak ujian kejuruteraan yang digunakan untuk menentukan kekerasan, seperti kekerasan Mohs yang digunakan dalam gemologi, ujian Brinell adalah salah satunya. Konsepnya mudah: galas bebola logam keras ditekan ke dalam permukaan ujian dengan daya tertentu. Ukur diameter lekukan bulat yang dihasilkan oleh bola. Nilai kekerasan Brinell dikira menggunakan formula matematik; secara kasarnya, semakin besar lubang yang terkena bola, semakin lembut bahan tersebut. Dalam ujian ini, HW adalah 23 kali lebih keras daripada kayu asli.
Kebanyakan kayu asli yang tidak dirawat akan menyerap air. Ini boleh mengembangkan kayu dan akhirnya memusnahkan sifat strukturnya. Penulis menggunakan rendaman mineral selama dua hari untuk meningkatkan rintangan air HW, menjadikannya lebih hidrofobik (“takut air”). Ujian hidrofobisiti melibatkan meletakkan setitik air pada permukaan. Lebih hidrofobik permukaan, lebih sfera titisan air menjadi. Sebaliknya, permukaan hidrofilik (“suka air”) menyebarkan titisan rata (dan seterusnya menyerap air dengan lebih mudah). Oleh itu, rendaman mineral bukan sahaja meningkatkan hidrofobisiti HW dengan ketara, tetapi juga menghalang kayu daripada menyerap kelembapan.
Dalam beberapa ujian kejuruteraan, pisau HW menunjukkan prestasi yang sedikit lebih baik daripada pisau logam. Penulis mendakwa bahawa pisau HW adalah kira-kira tiga kali lebih tajam daripada pisau yang tersedia secara komersial. Walau bagaimanapun, terdapat satu kaveat untuk hasil yang menarik ini. Penyelidik sedang membandingkan pisau meja, atau apa yang kita panggil pisau mentega. Ini tidak bertujuan untuk menjadi sangat tajam. Penulis menunjukkan video pisau mereka memotong stik, tetapi orang dewasa yang agak kuat mungkin boleh memotong stik yang sama dengan bahagian garpu logam yang tumpul, dan pisau stik akan berfungsi dengan lebih baik.
Bagaimana pula dengan paku? Sebatang paku HW nampaknya boleh ditempa dengan mudah menjadi timbunan tiga papan, walaupun tidak seteliti paku besi kerana ia agak mudah berbanding paku besi. Pasak kayu kemudiannya boleh menyatukan papan, menahan daya yang akan mengoyakkannya, dengan kekuatan yang hampir sama seperti pasak besi. Walau bagaimanapun, dalam ujiannya, papan dalam kedua-dua kes gagal sebelum mana-mana paku gagal, jadi paku yang lebih kuat tidak terdedah.
Adakah paku HW lebih baik dari segi lain? Pasak kayu lebih ringan, tetapi berat strukturnya tidak didorong terutamanya oleh jisim pasak yang mengikatnya bersama. Pasak kayu tidak akan berkarat. Walau bagaimanapun, ia tidak akan kalis air atau terbiodekomposisi.
Tidak syak lagi bahawa penulis telah membangunkan satu proses untuk menjadikan kayu lebih kuat daripada kayu asli. Walau bagaimanapun, kegunaan perkakasan untuk sebarang kerja tertentu memerlukan kajian lanjut. Bolehkah ia semurah dan semurah plastik? Bolehkah ia bersaing dengan objek logam yang lebih kuat, lebih menarik dan boleh diguna semula tanpa had? Penyelidikan mereka menimbulkan persoalan yang menarik. Kejuruteraan yang berterusan (dan akhirnya pasaran) akan menjawabnya.
Masa siaran: 13-Apr-2022
