強化木製ナイフはテーブルナイフの3倍の切れ味を持つ

天然の木材と金属は、何千年もの間、人類にとって不可欠な建築材料でした。私たちがプラスチックと呼ぶ合成ポリマーは、20 世紀に爆発的に普及した最近の発明です。
金属とプラスチックはどちらも、工業および商業用途に適した特性を持っています。金属は強度と剛性に優れ、一般的に空気、水、熱、一定のストレスに耐性があります。ただし、製品の製造と精製にはより多くのリソース（つまり、より高価）が必要です。プラスチックは金属の機能の一部を提供しながら、質量が少なく、非常に安価に製造できます。その特性は、ほぼすべての用途に合わせてカスタマイズできます。ただし、安価な市販のプラスチックは構造材料としては適していません。プラスチック製の器具は良いものではなく、誰もプラスチック製の家に住みたくありません。さらに、それらは化石燃料から精製されることがよくあります。
いくつかの用途では、天然木は金属やプラスチックと競合することができます。ほとんどの戸建て住宅は木造です。問題は、天然木は柔らかすぎて水に弱く、ほとんどの場合プラスチックや金属の代わりに使用できないことです。Matter 誌に最近掲載された論文では、これらの制限を克服する硬化木材素材の作成について研究されています。この研究は、木製のナイフと釘の作成で最高潮に達しました。木製のナイフはどれほど優れているのでしょうか。また、すぐに使用しますか?
木材の繊維構造は、理論上は優れた強度特性を持つ天然ポリマーであるセルロースが約 50% を占めています。木材構造の残りの半分は、主にリグニンとヘミセルロースです。セルロースは長く丈夫な繊維を形成し、木材に天然の強度の骨格を提供しますが、ヘミセルロースは凝集構造がほとんどないため、木材の強度にはまったく貢献しません。リグニンはセルロース繊維間の隙間を埋め、生きている木材にとって有用な役割を果たします。しかし、人間が木材を圧縮してセルロース繊維をより強固に結合するという目的にとって、リグニンは障害となっていました。
この研究では、天然木を4つの手順で硬化木材（HW）に加工しました。まず、木材を水酸化ナトリウムと硫酸ナトリウムで煮沸し、ヘミセルロースとリグニンの一部を除去します。この化学処理後、木材は常温で数時間プレス機で圧縮され、密度が高まります。これにより、木材内の自然な隙間や気孔が減少し、隣接するセルロース繊維間の化学結合が強化されます。次に、木材は105°C（221°F）でさらに数時間加圧され、密度化が完了してから乾燥されます。最後に、木材は鉱油に48時間浸漬され、完成品に防水加工が施されます。
構造材料の機械的特性の 1 つに、押込み硬度があります。これは、力で圧迫されたときに変形に抵抗する能力の尺度です。ダイヤモンドは鋼鉄よりも硬く、金よりも硬く、木材よりも硬く、梱包用フォームよりも硬いです。宝石学で使用されるモース硬度など、硬度を決定するために使用される多くの工学テストのうち、ブリネルテストもその 1 つです。その概念は単純です。硬い金属製のボールベアリングを一定の力でテスト面に押し付けます。ボールによって作成された円形の押込みの直径を測定します。ブリネル硬度の値は数式を使用して計算されます。大まかに言えば、ボールが当たる穴が大きいほど、材料は柔らかくなります。このテストでは、HW は天然木の 23 倍の硬さです。
未処理の天然木のほとんどは水を吸収します。これにより木材が膨張し、最終的には構造特性が破壊される可能性があります。著者らは、HW の耐水性を高め、疎水性 (「水を恐れる」) を高めるために 2 日間のミネラル浸漬を使用しました。疎水性テストでは、表面に水滴を置きます。表面の疎水性が高くなるほど、水滴は球形になります。一方、親水性 (「水を好む」) 表面は水滴を平らに広げます (その結果、水をより簡単に吸収します)。したがって、ミネラル浸漬は HW の疎水性を大幅に高めるだけでなく、木材が水分を吸収するのを防ぎます。
いくつかの工学試験では、HW ナイフの性能は金属製ナイフよりわずかに優れていることが分かりました。著者らは、HW ナイフは市販のナイフの約 3 倍の切れ味があると主張しています。ただし、この興味深い結果には注意点があります。研究者らはテーブルナイフ、いわゆるバターナイフを比較しています。これらは特に鋭い切れ味を意図したものではありません。著者らはナイフでステーキを切るビデオを示していますが、ある程度力のある大人であれば、おそらく同じステーキを金属製フォークの鈍い側で切ることができるでしょうし、ステーキナイフの方がはるかにうまく機能するでしょう。
釘についてはどうでしょうか? 1 本の HW 釘は、3 枚の厚板に簡単に打ち込めるようです。ただし、鉄の釘に比べると比較的簡単というほど精密ではありません。木の釘は、厚板を引き裂く力に抵抗して、鉄の釘とほぼ同じ強度で固定できます。ただし、テストでは、どちらの場合も、どちらかの釘が破損する前に板が破損したため、より強い釘が露出しませんでした。
HW 釘は他の点でも優れていますか?木製ペグは軽量ですが、構造物の重量は主にそれをまとめるペグの質量によって決まるわけではありません。木製ペグは錆びません。ただし、防水性や生分解性はありません。
著者が天然木よりも強い木材を作るプロセスを開発したことは間違いありません。しかし、特定の作業におけるハードウェアの有用性については、さらなる研究が必要です。プラスチックと同じくらい安価で資源を節約できるでしょうか？より強く、より魅力的で、無限に再利用できる金属物と競合できるでしょうか？彼らの研究は興味深い疑問を提起しています。進行中のエンジニアリング（そして最終的には市場）がそれらの答えを導き出すでしょう。