天然の木材と金属は、何千年もの間人間にとって不可欠な建築材料であり、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、産業および商業用途に適した特性を持っています。金属は強く、剛性があり、一般に空気、水、熱、一定の応力に対して耐性があります。ただし、より多くの資源（つまり、より高価）を必要とします。プラスチックは、金属の機能の一部を提供しながら、必要な質量が少なく、製造コストが非常に安価です。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。しかし、安価な市販のプラスチックはひどい構造材料になります。プラスチック製の家電製品は、それは良いことですし、ビニールハウスに住みたい人はいません。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。
用途によっては、天然木は金属やプラスチックと競合する可能性があります。ほとんどの家庭用住宅は木製フレームで建てられています。問題は、天然木は柔らかすぎて水に簡単に傷つき、ほとんどの場合プラスチックや金属に取って代わることができないことです。最近の論文Matter 誌に掲載された研究では、これらの制限を克服する硬化木材の作成を研究しています。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。木製のナイフはどのくらい優れていますか?すぐに使用するつもりですか?
木材の繊維構造は、理論的に優れた強度特性を持つ天然ポリマーであるセルロース約 50% で構成されています。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。一方、セルロースは長くて丈夫な繊維を形成し、木材に自然の骨格を提供します。強度に対して、ヘミセルロースはほとんど一貫した構造を持たないため、木材の強度には何も寄与しません。リグニンはセルロース繊維間の空隙を埋め、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、木材を圧縮し、そのセルロース繊維をよりしっかりと結合させるという人間の目的のために、リグニンは、邪魔です。
この研究では、天然木材を 4 つのステップで硬化木材 (HW) にしました。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て、ヘミセルロースとリグニンの一部を除去します。この化学処理の後、プレスすることで木材の密度が高まります。これを室温で数時間プレスします。これにより、木材の自然な隙間や細孔が減り、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ます。緻密化が完了するまで数時間かけて乾燥させます。最後に、木材をミネラルオイルに48時間浸漬して、完成品に防水性を与えます。
構造材料の機械的特性の 1 つは押し込み硬度です。これは、力で押しつぶされたときの変形に耐える能力の尺度です。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くなります。宝石学で使用されるモース硬度など、硬度を測定するために使用される試験のうち、ブリネル試験もその 1 つです。その概念は単純です。超硬金属のボール ベアリングを一定の力で試験面に押し込みます。円形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。大まかに言って、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。今回のテストでは、HW は天然木の 23 倍の硬さです。
未処理の天然木材のほとんどは水を吸収します。これにより木材が膨張し、最終的にその構造特性が破壊される可能性があります。著者らはハードウェアの耐水性を高めるために 2 日間ミネラルに浸し、ハードウェアの疎水性 (「水を恐れる」) を高めました。疎水性テストでは、表面に水を一滴置きます。表面の疎水性が高まるほど、水滴はより球形になります。一方、親水性 (「水を好む」) 表面では、水滴が平らに広がります (その後、したがって、ミネラルの浸漬は 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。
いくつかの工学テストでは、HW ナイフは金属製ナイフよりわずかに優れた性能を示しました。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。研究者はテーブルナイフと、これらは特に鋭利であることを目的と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っているビデオを見せていますが、かなり強い大人であればおそらく金属フォークの鈍い側を使って同じステーキを切ることができるでしょう。ステーキナイフの方がずっとうまくいきます。
釘についてはどうでしょうか。HW 釘 1 本を 3 枚の厚板の積み重ねに簡単に打ち込むことができるようですが、鉄釘に比べれば比較的簡単であるため、それほど詳細ではありません。その後、木製のペグで厚板を固定し、引き裂く力に抵抗できます。しかし、彼らのテストでは、どちらの場合も、どちらかの釘が壊れる前にボードが壊れたため、より強い釘が露出することはありませんでした。
HW 釘は他の点で優れていますか?木製のペグは軽いですが、構造の重量は主に、それを固定するペグの質量によって決まるわけではありません。木製のペグは錆びません。ただし、水や汚れを通さないわけではありません。生分解する。
著者が木材を天然木よりも強くするプロセスを開発したことは疑いの余地がありません。しかし、特定の仕事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。それはプラスチックと同じくらい安価で資源を必要としないでしょうか?より強力なものと競争できるでしょうか? 、より魅力的で、無限に再利用可能な金属オブジェクト?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) がそれらに答えます。
投稿日時: 2022 年 4 月 13 日
