Luonnonpuu ja -metalli ovat olleet ihmisille välttämättömiä rakennusmateriaaleja tuhansien vuosien ajan. Synteettiset polymeerit, joita kutsumme muoveiksi, ovat uusi keksintö, joka levisi räjähdysmäisesti 1900-luvulla.
Sekä metalleilla että muoveilla on ominaisuuksia, jotka sopivat hyvin teolliseen ja kaupalliseen käyttöön. Metallit ovat vahvoja, jäykkiä ja yleensä kestäviä ilmalle, vedelle, lämmölle ja jatkuvalle rasitukselle. Niiden valmistaminen ja jalostaminen vaatii kuitenkin myös enemmän resursseja (mikä tarkoittaa kalliimpaa hintaa). Muovi tarjoaa joitakin metallin toimintoja, mutta vaatii vähemmän massaa ja on erittäin halpaa valmistaa. Niiden ominaisuuksia voidaan mukauttaa lähes mihin tahansa käyttöön. Halvat kaupalliset muovit ovat kuitenkin kauheita rakennemateriaaleja: muoviset kodinkoneet eivät ole hyvä asia, eikä kukaan halua asua muovitalossa. Lisäksi ne jalostetaan usein fossiilisista polttoaineista.
Joissakin sovelluksissa luonnonpuu voi kilpailla metallien ja muovien kanssa. Useimmat omakotitalot on rakennettu puurunkoon. Ongelmana on, että luonnonpuu on liian pehmeää ja useimmiten liian helposti veden vaurioittamaa korvatakseen muovin ja metallin. Matter-lehdessä julkaistussa äskettäin julkaistussa artikkelissa tarkastellaan karkaistun puumateriaalin luomista, joka voittaa nämä rajoitukset. Tämä tutkimus huipentui puisten veitsien ja naulojen luomiseen. Kuinka hyvä puinen veitsi on ja aiotko käyttää sitä pian?
Puun kuiturakenne koostuu noin 50 % selluloosasta, luonnollisesta polymeeristä, jolla on teoreettisesti hyvät lujuusominaisuudet. Loput puurakenteesta on pääasiassa ligniiniä ja hemiselluloosaa. Selluloosa muodostaa pitkiä, sitkeitä kuituja, jotka antavat puulle sen luonnollisen lujuuden rungon, kun taas hemiselluloosalla on vain vähän yhtenäistä rakennetta, joten se ei lisää puun lujuutta lainkaan. Ligniini täyttää selluloosakuitujen väliset tyhjät tilat ja suorittaa hyödyllisiä tehtäviä elävälle puulle. Mutta ihmisten pyrkimyksille tiivistää puuta ja sitoa sen selluloosakuituja tiukemmin yhteen ligniinistä tuli este.
Tässä tutkimuksessa luonnonpuusta tehtiin kovetettua puuta (HW) neljässä vaiheessa. Ensin puu keitetään natriumhydroksidissa ja natriumsulfaatissa osan hemiselluloosan ja ligniinin poistamiseksi. Tämän kemiallisen käsittelyn jälkeen puusta tulee tiheämpi puristamalla sitä puristimessa useita tunteja huoneenlämmössä. Tämä vähentää puun luonnollisia rakoja tai huokosia ja parantaa vierekkäisten selluloosakuitujen välistä kemiallista sidosta. Seuraavaksi puuta paineistetaan 105 °C:ssa muutaman tunnin ajan tiivistymisen loppuun saattamiseksi ja sitten kuivataan. Lopuksi puu upotetaan mineraaliöljyyn 48 tunniksi, jotta valmiista tuotteesta tulee vedenpitävä.
Yksi rakennemateriaalin mekaanisista ominaisuuksista on painaumakovuus, joka mittaa sen kykyä vastustaa muodonmuutosta puristettaessa. Timantti on kovempaa kuin teräs, kovempaa kuin kulta, kovempaa kuin puu ja kovempaa kuin pakkausvaahto. Brinell-koe on yksi monista kovuuden määrittämiseen käytetyistä teknisistä testeistä, kuten gemmologiassa käytetystä Mohsin kovuudesta. Sen konsepti on yksinkertainen: kovametallista kuulalaakeria painetaan testipintaan tietyllä voimalla. Mittaa kuulan luoman pyöreän painauman halkaisija. Brinell-kovuusarvo lasketaan matemaattisen kaavan avulla; karkeasti ottaen mitä suurempaan reikään kuula osuu, sitä pehmeämpi materiaali on. Tässä testissä HW on 23 kertaa kovempaa kuin luonnonpuu.
Useimmat käsittelemättömät luonnonpuut imevät vettä. Tämä voi laajentaa puuta ja lopulta tuhota sen rakenteelliset ominaisuudet. Kirjoittajat käyttivät kahden päivän mineraaliliotusta lisätäkseen kovapuun vedenkestävyyttä, tehden siitä hydrofobisemman ("vedenpelkäävämmän"). Hydrofobisuustestissä pinnalle asetetaan vesipisara. Mitä hydrofobisempi pinta on, sitä pallomaisemmiksi vesipisarat muuttuvat. Hydrofiilinen ("vettä rakastava") pinta puolestaan levittää pisarat tasaisesti (ja imee siten vettä helpommin). Siksi mineraaliliotus ei ainoastaan lisää merkittävästi kovapuun hydrofobisuutta, vaan myös estää puuta imemästä kosteutta.
Joissakin teknisissä testeissä kovametalliveitset suoriutuivat hieman paremmin kuin metalliveitset. Kirjoittajat väittävät, että kovametalliveitsi on noin kolme kertaa terävämpi kuin kaupallisesti saatavilla oleva veitsi. Tässä mielenkiintoisessa tuloksessa on kuitenkin varauma. Tutkijat vertailevat pöytäveitsiä eli niin sanottuja voiveitsiä. Näiden ei ole tarkoitus olla erityisen teräviä. Kirjoittajat näyttävät videon veitsestään leikkaamassa pihviä, mutta kohtuullisen vahva aikuinen voisi luultavasti leikata saman pihvin metallihaarukan tylpällä puolella, ja pihviveitsi toimisi paljon paremmin.
Entä naulat? Yksittäinen kovametallinaula voidaan ilmeisesti helposti vasaroida kolmen laudan pinoksi, vaikkakaan se ei ole yhtä yksityiskohtaista kuin rautanaulojen, mutta se on suhteellisen helppoa. Puiset tapit voivat sitten pitää lankut yhdessä ja vastustaa niitä repivää voimaa suunnilleen samalla lujuudella kuin rautatapit. Heidän testeissään laudat kuitenkin murtuivat molemmissa tapauksissa ennen kuin kumpikaan naula murtui, joten vahvemmat naulat eivät paljastuneet.
Ovatko kovapuunaulat parempia muilla tavoin? Puutapit ovat kevyempiä, mutta rakenteen paino ei ensisijaisesti johdu sitä yhdessä pitävien tappien massasta. Puutapit eivät ruostu. Ne eivät kuitenkaan ole vedenpitäviä eivätkä hajoa biohajoavasti.
Ei ole epäilystäkään siitä, että kirjoittaja on kehittänyt prosessin, jolla puusta tehdään luonnonpuuta vahvempaa. Rautaosien hyödyllisyys tietyssä työssä vaatii kuitenkin lisätutkimuksia. Voiko se olla yhtä halpaa ja resurssivapaata kuin muovi? Voiko se kilpailla vahvempien, houkuttelevampien ja loputtomasti uudelleenkäytettävien metalliesineiden kanssa? Heidän tutkimuksensa herättää mielenkiintoisia kysymyksiä. Jatkuva suunnittelu (ja lopulta markkinat) vastaavat niihin.
Julkaisun aika: 13. huhtikuuta 2022
