السكاكين المصنوعة من الخشب المقوى أكثر حدة بثلاث مرات من سكاكين المائدة.

لطالما شكل الخشب الطبيعي والمعادن مواد بناء أساسية للبشر لآلاف السنين. أما البوليمرات الاصطناعية التي نسميها البلاستيك فهي اختراع حديث انتشر بشكل كبير في القرن العشرين.
تتمتع كل من المعادن والبلاستيك بخصائص تجعلها مناسبة تمامًا للاستخدامات الصناعية والتجارية. فالمعادن قوية وصلبة، ومقاومة عمومًا للهواء والماء والحرارة والإجهاد المستمر. إلا أنها تتطلب موارد أكثر (مما يعني تكلفة أعلى) لإنتاجها وتكريرها. يوفر البلاستيك بعض وظائف المعادن مع كتلة أقل، كما أنه رخيص الإنتاج. ويمكن تعديل خصائصه لتناسب أي استخدام تقريبًا. مع ذلك، فإن البلاستيك التجاري الرخيص يُعدّ مادة بناء رديئة: فالأجهزة البلاستيكية ليست خيارًا جيدًا، ولا أحد يرغب في السكن في منزل بلاستيكي. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما يُستخرج البلاستيك من الوقود الأحفوري.
في بعض التطبيقات، يُمكن للخشب الطبيعي أن يُنافس المعادن والبلاستيك. تُبنى معظم المنازل العائلية على هياكل خشبية. تكمن المشكلة في أن الخشب الطبيعي لين للغاية ويتلف بسهولة بفعل الماء، مما يجعله غير مناسب لاستبدال البلاستيك والمعادن في أغلب الأحيان. تستكشف ورقة بحثية حديثة نُشرت في مجلة "ماتر" إمكانية ابتكار مادة خشبية مُقسّاة تتغلب على هذه القيود. وقد تُوّج هذا البحث بصناعة سكاكين ومسامير خشبية. ما مدى جودة السكين الخشبي؟ وهل ستستخدمه قريبًا؟
يتكون الهيكل الليفي للخشب من حوالي 50% من السليلوز، وهو بوليمر طبيعي يتمتع نظريًا بخصائص قوة جيدة. أما النصف المتبقي من هيكل الخشب فيتكون أساسًا من اللجنين والهيميسليلوز. وبينما يشكل السليلوز أليافًا طويلة ومتينة تمنح الخشب قوته الطبيعية، فإن الهيميسليلوز ذو بنية ضعيفة التماسك، وبالتالي لا يساهم في قوة الخشب. يملأ اللجنين الفراغات بين ألياف السليلوز ويؤدي وظائف مفيدة للخشب الحي. ولكن بالنسبة لغرض الإنسان المتمثل في ضغط الخشب وربط ألياف السليلوز بإحكام أكبر، أصبح اللجنين عائقًا.
في هذه الدراسة، تم تحويل الخشب الطبيعي إلى خشب مُقسّى (HW) في أربع خطوات. أولًا، يُغلى الخشب في هيدروكسيد الصوديوم وكبريتات الصوديوم لإزالة جزء من الهيميسليلوز واللجنين. بعد هذه المعالجة الكيميائية، يُضغط الخشب في مكبس لعدة ساعات في درجة حرارة الغرفة لزيادة كثافته. هذا يقلل من الفراغات أو المسام الطبيعية في الخشب ويعزز الترابط الكيميائي بين ألياف السليلوز المتجاورة. ثانيًا، يُضغط الخشب عند درجة حرارة 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت) لبضع ساعات أخرى لإتمام عملية التكثيف، ثم يُجفف. أخيرًا، يُغمر الخشب في زيت معدني لمدة 48 ساعة لجعل المنتج النهائي مقاومًا للماء.
إحدى الخصائص الميكانيكية للمواد الإنشائية هي صلابة الانبعاج، وهي مقياس لقدرتها على مقاومة التشوه عند تعرضها للضغط. الماس أصلب من الفولاذ، وأصلب من الذهب، وأصلب من الخشب، وأصلب من رغوة التغليف. من بين العديد من الاختبارات الهندسية المستخدمة لتحديد الصلابة، مثل اختبار موس المستخدم في علم الأحجار الكريمة، يُعد اختبار برينل أحدها. فكرته بسيطة: تُضغط كرة معدنية صلبة على سطح الاختبار بقوة معينة، ثم يُقاس قطر الانبعاج الدائري الناتج. تُحسب قيمة صلابة برينل باستخدام معادلة رياضية؛ وبشكل عام، كلما زاد قطر الانبعاج، زادت ليونة المادة. في هذا الاختبار، كان الماس أصلب من الخشب الطبيعي بمقدار 23 مرة.
معظم الأخشاب الطبيعية غير المعالجة تمتص الماء، مما قد يؤدي إلى تمددها وتدمير خصائصها البنيوية. استخدم الباحثون نقعًا معدنيًا لمدة يومين لزيادة مقاومة الخشب الطبيعي للماء، مما يجعله أكثر كراهية للماء. يتضمن اختبار كراهية الماء وضع قطرة ماء على سطح ما. كلما زادت كراهية السطح للماء، أصبحت قطرات الماء أكثر كروية. أما السطح المحب للماء، فينشر القطرات بشكل مسطح (وبالتالي يمتص الماء بسهولة أكبر). لذلك، لا يزيد النقع المعدني من كراهية الخشب الطبيعي للماء فحسب، بل يمنعه أيضًا من امتصاص الرطوبة.
في بعض الاختبارات الهندسية، تفوقت سكاكين HW قليلاً على السكاكين المعدنية. ويزعم الباحثون أن سكين HW أكثر حدة بثلاث مرات تقريبًا من السكاكين المتوفرة تجاريًا. مع ذلك، ثمة تحفظ على هذه النتيجة المثيرة للاهتمام. يقارن الباحثون سكاكين المائدة، أو ما يُعرف بسكاكين الزبدة، وهي ليست مصممة لتكون حادة للغاية. يعرض الباحثون مقطع فيديو لسكينهم وهو يقطع شريحة لحم، لكن من المرجح أن يتمكن شخص بالغ قوي البنية من تقطيع الشريحة نفسها باستخدام الجانب غير الحاد من شوكة معدنية، وسيكون استخدام سكين شرائح اللحم أكثر فعالية.
ماذا عن المسامير؟ يبدو أنه يمكن دق مسمار واحد من الخشب الصلب بسهولة في كومة من ثلاث ألواح، وإن لم يكن ذلك بنفس سهولة المسامير الحديدية. يمكن للأوتاد الخشبية بعد ذلك تثبيت الألواح معًا، ومقاومة القوة التي قد تمزقها، بنفس متانة الأوتاد الحديدية تقريبًا. مع ذلك، في اختباراتهم، انهارت الألواح في كلتا الحالتين قبل أن ينكسر أي من المسامير، لذا لم يتم الكشف عن قوة المسامير الأقوى.
هل المسامير الخشبية أفضل من نواحٍ أخرى؟ المسامير الخشبية أخف وزنًا، لكن وزن الهيكل لا يعتمد بشكل أساسي على كتلة المسامير التي تثبته. المسامير الخشبية لا تصدأ، لكنها ليست مقاومة للماء أو قابلة للتحلل الحيوي.
لا شك أن المؤلف قد طور عملية لجعل الخشب أقوى من الخشب الطبيعي. ومع ذلك، فإن جدوى استخدام هذه الأدوات في أي مهمة محددة تتطلب مزيدًا من الدراسة. هل يمكن أن تكون رخيصة وخالية من الموارد مثل البلاستيك؟ هل يمكنها منافسة الأدوات المعدنية الأقوى والأكثر جاذبية والقابلة لإعادة الاستخدام بلا حدود؟ يثير بحثهم تساؤلات مثيرة للاهتمام، وسيجيب عنها التطور الهندسي المستمر (والسوق في نهاية المطاف).