سكاكين الخشب المتصلبة أكثر حدة بثلاث مرات من سكاكين الطاولة

لقد كان الخشب الطبيعي والمعادن مواد بناء أساسية للبشر منذ آلاف السنين. والبوليمرات الاصطناعية التي نسميها البلاستيك هي اختراع حديث انفجر في القرن العشرين.
تتمتع كل من المعادن والبلاستيك بخصائص مناسبة تمامًا للاستخدام الصناعي والتجاري. فالمعادن قوية وصلبة ومرنة بشكل عام للهواء والماء والحرارة والضغط المستمر. ومع ذلك، فإنها تتطلب أيضًا المزيد من الموارد (مما يعني أنها أكثر تكلفة) لتصنيعها. إنتاج وصقل منتجاتهم. يوفر البلاستيك بعض وظائف المعدن بينما يتطلب كتلة أقل وإنتاجه رخيص جدًا. يمكن تخصيص خصائصه لأي استخدام تقريبًا. ومع ذلك، فإن البلاستيك التجاري الرخيص يصنع مواد هيكلية رهيبة: فالأجهزة البلاستيكية ليست شيء جيد، ولا أحد يريد أن يعيش في منزل بلاستيكي. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم تكريره من الوقود الأحفوري.
في بعض التطبيقات، يمكن للخشب الطبيعي أن يتنافس مع المعادن والبلاستيك. معظم المنازل العائلية مبنية على إطارات خشبية. المشكلة هي أن الخشب الطبيعي ناعم للغاية ويتلف بسهولة بسبب الماء ليحل محل البلاستيك والمعدن في معظم الأوقات. يستكشف هذا البحث المنشور في مجلة Matter إنشاء مادة خشبية صلبة تتغلب على هذه القيود. وقد توج هذا البحث بصناعة السكاكين والمسامير الخشبية. ما مدى جودة السكين الخشبي وهل ستستخدمه في أي وقت قريب؟
يتكون الهيكل الليفي للخشب من ما يقرب من 50٪ من السليلوز، وهو بوليمر طبيعي يتمتع بخصائص قوة جيدة من الناحية النظرية. أما النصف المتبقي من الهيكل الخشبي فهو يتكون بشكل أساسي من اللجنين والهيميسيلولوز. بينما يشكل السليلوز أليافًا طويلة وقوية تزود الخشب بالعمود الفقري لطبيعته الطبيعية. القوة، الهيمسيلولوز له بنية متماسكة قليلة، وبالتالي لا يساهم بأي شيء في قوة الخشب. يملأ اللجنين الفراغات بين ألياف السليلوز ويؤدي مهام مفيدة للخشب الحي. ولكن لغرض البشر المتمثل في ضغط الخشب وربط ألياف السليلوز معًا بشكل أكثر إحكامًا، أصبح اللجنين عائق.
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 الهيمسيلولوز واللجنين. وبعد هذه المعالجة الكيميائية، يصبح الخشب أكثر كثافة بالضغط. يتم ضغطه لعدة ساعات في درجة حرارة الغرفة. وهذا يقلل من الفجوات أو المسام الطبيعية في الخشب ويعزز الترابط الكيميائي بين ألياف السليلوز المتجاورة. بعد ذلك، يتم ضغط الخشب عند درجة حرارة 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت) لبضع مرات أخرى. ساعات لإكمال التكثيف، ثم تجفيفه. وأخيرًا، يتم غمر الخشب في الزيت المعدني لمدة 48 ساعة لجعل المنتج النهائي مقاومًا للماء.
إحدى الخصائص الميكانيكية للمادة الإنشائية هي صلابة الثلم، وهو مقياس لقدرتها على مقاومة التشوه عند الضغط عليها بالقوة. الماس أصلب من الفولاذ، وأصعب من الذهب، وأصعب من الخشب، وأصعب من رغوة التعبئة. ومن بين العديد من الخصائص الهندسية الاختبارات المستخدمة لتحديد الصلابة، مثل صلابة موس المستخدمة في علم الأحجار الكريمة، اختبار برينل هو واحد منها. مفهومه بسيط: يتم ضغط محمل كروي معدني صلب على سطح الاختبار بقوة معينة. قم بقياس قطر الدائري المسافة البادئة التي أنشأتها الكرة. يتم حساب قيمة صلابة برينل باستخدام صيغة رياضية؛ بشكل عام، كلما كان الثقب الذي تصطدم به الكرة أكبر، كانت المادة أكثر ليونة. في هذا الاختبار، تكون المواد الخطرة أصعب 23 مرة من الخشب الطبيعي.
معظم الأخشاب الطبيعية غير المعالجة سوف تمتص الماء. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تمدد الخشب وتدمير خصائصه الهيكلية في النهاية. استخدم المؤلفون نقعًا معدنيًا لمدة يومين لزيادة مقاومة المخلفات الصلبة للماء، مما يجعلها أكثر كارهة للماء ("خائفة من الماء"). يتضمن اختبار الكارهة للماء وضع قطرة ماء على سطح ما. كلما كان السطح كارهًا للماء، أصبحت قطرات الماء أكثر كروية. ومن ناحية أخرى، يعمل السطح المحب للماء ("المحب للماء") على نشر القطرات بشكل مسطح (وبالتالي يمتص الماء بسهولة أكبر). ولذلك، فإن النقع المعدني لا يزيد بشكل كبير من كراهية الماء للمواد الخطرة فحسب، بل يمنع أيضًا الخشب من امتصاص الرطوبة.
في بعض الاختبارات الهندسية، كان أداء سكاكين المواد الخطرة أفضل قليلاً من السكاكين المعدنية. يدعي المؤلفون أن سكين المواد الخطرة حاد بحوالي ثلاثة أضعاف السكين المتوفر تجاريًا. ومع ذلك، هناك تحذير لهذه النتيجة المثيرة للاهتمام. يقوم الباحثون بمقارنة سكاكين الطاولة، أو ما يمكن أن نسميه سكاكين الزبدة. ليس المقصود منها أن تكون حادة بشكل خاص. يعرض المؤلفون مقطع فيديو لسكينهم وهو يقطع شريحة لحم، ولكن من المحتمل أن يتمكن شخص بالغ قوي إلى حد معقول من قطع نفس شريحة اللحم بالجانب الباهت من شوكة معدنية، و سكين اللحم سيعمل بشكل أفضل.
ماذا عن المسامير؟ يبدو أن مسمارًا واحدًا من المواد الصلبة يمكن دقه بسهولة في كومة من ثلاثة ألواح، على الرغم من أنه ليس مفصلاً بقدر السهولة النسبية مقارنة بالمسامير الحديدية. ويمكن للأوتاد الخشبية بعد ذلك تثبيت الألواح معًا، ومقاومة القوة التي قد تمزقها ومع ذلك، في اختباراتهم، فشلت الألواح في كلتا الحالتين قبل فشل أي من المسامير، لذلك لم يتم كشف المسامير الأقوى.
هل المسامير الخطرة أفضل بطرق أخرى؟ الأوتاد الخشبية أخف وزنًا، لكن وزن الهيكل لا يحركه في المقام الأول كتلة الأوتاد التي تربطه معًا. الأوتاد الخشبية لن تصدأ. ومع ذلك، لن تكون منيعة للماء أو تتحلل حيويا.
ليس هناك شك في أن المؤلف قد طور عملية لجعل الخشب أقوى من الخشب الطبيعي. ومع ذلك، فإن فائدة الأجهزة لأي وظيفة معينة تتطلب مزيدًا من الدراسة. هل يمكن أن تكون رخيصة الثمن وأقل موارد مثل البلاستيك؟ هل يمكنها التنافس مع الأقوى؟ ، أشياء معدنية أكثر جاذبية وقابلة لإعادة الاستخدام بشكل لا نهائي؟ تثير أبحاثهم أسئلة مثيرة للاهتمام. الهندسة المستمرة (وفي النهاية السوق) سوف تجيب عليها.