لقد كان الخشب الطبيعي والمعادن مواد بناء أساسية للبشر لآلاف السنين. والبوليمرات الاصطناعية التي نسميها البلاستيك هي اختراع حديث انفجر في القرن العشرين.
يتمتع كل من المعادن والبلاستيك بخصائص مناسبة للاستخدام الصناعي والتجاري. المعادن قوية وصلبة ومرنة بشكل عام للهواء والماء والحرارة والإجهاد المستمر. ومع ذلك، فإنها تتطلب أيضًا المزيد من الموارد (مما يعني أكثر تكلفة) لإنتاج وتكرير منتجاتها. يوفر البلاستيك بعض وظائف المعدن بينما يتطلب كتلة أقل وهو رخيص جدًا في الإنتاج. يمكن تخصيص خصائصه لأي استخدام تقريبًا. ومع ذلك، فإن البلاستيك التجاري الرخيص يصنع مواد هيكلية رهيبة: الأجهزة البلاستيكية ليست شيئًا جيدًا، ولا أحد يريد العيش في منزل بلاستيكي. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم تكريره من الوقود الأحفوري.
في بعض التطبيقات، يمكن للخشب الطبيعي أن يتنافس مع المعادن والبلاستيك. يتم بناء معظم المنازل العائلية على إطارات خشبية. تكمن المشكلة في أن الخشب الطبيعي ناعم للغاية ويتلف بسهولة بسبب الماء بحيث لا يحل محل البلاستيك والمعادن في معظم الأوقات. يستكشف بحث حديث نُشر في مجلة Matter إنشاء مادة خشبية صلبة تتغلب على هذه القيود. توج هذا البحث بإنشاء سكاكين ومسامير خشبية. ما مدى جودة السكين الخشبي وهل ستستخدمه في أي وقت قريب؟
يتكون الهيكل الليفي للخشب من حوالي 50٪ من السليلوز، وهو بوليمر طبيعي ذو خصائص قوة جيدة نظريًا. يتكون النصف المتبقي من الهيكل الخشبي بشكل أساسي من اللجنين والهيميسليلوز. في حين أن السليلوز يشكل أليافًا طويلة وقوية توفر للخشب العمود الفقري لقوته الطبيعية، فإن الهيميسليلوز له بنية متماسكة قليلة وبالتالي لا يساهم في قوة الخشب. يملأ اللجنين الفراغات بين ألياف السليلوز ويؤدي مهام مفيدة للخشب الحي. ولكن بالنسبة لغرض البشر المتمثل في ضغط الخشب وربط ألياف السليلوز معًا بشكل أكثر إحكامًا، أصبح اللجنين عائقًا.
في هذه الدراسة، تم تحويل الخشب الطبيعي إلى خشب مقسى (HW) في أربع خطوات. أولاً، يتم غلي الخشب في هيدروكسيد الصوديوم وكبريتات الصوديوم لإزالة بعض الهيميسليلوز واللجنين. بعد هذه المعالجة الكيميائية، يصبح الخشب أكثر كثافة عن طريق الضغط عليه في مكبس لعدة ساعات في درجة حرارة الغرفة. هذا يقلل من الفجوات الطبيعية أو المسام في الخشب ويعزز الرابطة الكيميائية بين ألياف السليلوز المتجاورة. بعد ذلك، يتم ضغط الخشب عند 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت) لبضع ساعات أخرى لإكمال التكثيف، ثم يجفف. أخيرًا، يتم غمر الخشب في الزيت المعدني لمدة 48 ساعة لجعل المنتج النهائي مقاومًا للماء.
أحد الخصائص الميكانيكية للمواد الهيكلية هو صلابة الانبعاج، وهو مقياس لقدرتها على مقاومة التشوه عند الضغط عليها بالقوة. الماس أصلب من الفولاذ، وأصعب من الذهب، وأصعب من الخشب، وأصعب من رغوة التعبئة. من بين العديد من الاختبارات الهندسية المستخدمة لتحديد الصلابة، مثل صلابة موس المستخدمة في علم الأحجار الكريمة، فإن اختبار برينيل هو أحدها. مفهومه بسيط: يتم الضغط على محمل كروي معدني صلب في سطح الاختبار بقوة معينة. قم بقياس قطر الانبعاج الدائري الذي أنشأته الكرة. يتم حساب قيمة صلابة برينيل باستخدام صيغة رياضية؛ تقريبًا، كلما كانت الحفرة التي تضربها الكرة أكبر، كانت المادة أكثر ليونة. في هذا الاختبار، يكون HW أصلب 23 مرة من الخشب الطبيعي.
معظم الأخشاب الطبيعية غير المعالجة تمتص الماء. هذا يمكن أن يؤدي إلى تمدد الخشب وفي النهاية تدمير خصائصه البنيوية. استخدم المؤلفون نقعًا معدنيًا لمدة يومين لزيادة مقاومة الماء للنفايات الخطرة، مما يجعلها أكثر كراهية للماء ("خائفة من الماء"). يتضمن اختبار كراهية الماء وضع قطرة ماء على سطح. كلما كان السطح أكثر كراهية للماء، أصبحت قطرات الماء أكثر كروية. من ناحية أخرى، ينشر السطح المحب للماء ("محب للماء") القطرات بشكل مسطح (ويمتص الماء بعد ذلك بسهولة أكبر). لذلك، فإن نقع المعادن لا يزيد بشكل كبير من كراهية الماء للنفايات الخطرة فحسب، بل يمنع الخشب أيضًا من امتصاص الرطوبة.
في بعض الاختبارات الهندسية، كان أداء سكاكين HW أفضل قليلاً من السكاكين المعدنية. يدعي المؤلفون أن سكين HW حاد حوالي ثلاثة أضعاف السكين المتوفر تجاريًا. ومع ذلك، هناك تحذير لهذه النتيجة المثيرة للاهتمام. يقارن الباحثون سكاكين المائدة، أو ما قد نسميه سكاكين الزبدة. لا يُقصد أن تكون حادة بشكل خاص. يعرض المؤلفون مقطع فيديو لسكينهم يقطع شريحة لحم، ولكن من المحتمل أن يتمكن شخص بالغ قوي إلى حد معقول من قطع نفس شريحة اللحم بالجانب الباهت من شوكة معدنية، وستعمل سكين شريحة اللحم بشكل أفضل بكثير.
ماذا عن المسامير؟ يبدو أنه من السهل دق مسمار واحد من الخشب في كومة من ثلاثة ألواح، على الرغم من أنه ليس بنفس التفاصيل التي يتمتع بها، مقارنة بالسهولة النسبية للمسامير الحديدية. يمكن للأوتاد الخشبية بعد ذلك تثبيت الألواح معًا، ومقاومة القوة التي من شأنها أن تمزقها، بنفس صلابة الأوتاد الحديدية تقريبًا. ومع ذلك، في اختباراتهم، فشلت الألواح في كلتا الحالتين قبل فشل أي مسمار، لذلك لم يتم الكشف عن المسامير الأقوى.
هل مسامير HW أفضل من نواحٍ أخرى؟ الأوتاد الخشبية أخف وزنًا، لكن وزن الهيكل لا يعتمد في المقام الأول على كتلة الأوتاد التي تُثبّته. الأوتاد الخشبية لا تصدأ، لكنها في الوقت نفسه ليست مقاومة للماء أو للتحلل البيولوجي.
لا شك أن المؤلف قد طوّر عمليةً لجعل الخشب أقوى من الخشب الطبيعي. ومع ذلك، فإنّ فائدة الأجهزة لأيّ عملٍ مُحدّد تتطلب دراسةً أعمق. هل يُمكن أن تكون رخيصةً وأقلّ استهلاكًا للموارد من البلاستيك؟ هل يُمكنها مُنافسة الأجسام المعدنية الأقوى والأكثر جاذبيةً والقابلة لإعادة الاستخدام بلا حدود؟ تُثير أبحاثهم أسئلةً مُثيرةً للاهتمام. الهندسة المُستمرة (وفي نهاية المطاف السوق) ستجيب عليها.
وقت النشر: ١٣ أبريل ٢٠٢٢
