Doğal ahşap ve metal, binlerce yıldır insanlar için temel yapı malzemeleri olmuştur. Plastik dediğimiz sentetik polimerler ise 20. yüzyılda hızla yaygınlaşan yeni bir icattır.
Hem metaller hem de plastikler, endüstriyel ve ticari kullanım için oldukça uygun özelliklere sahiptir. Metaller güçlü, sert ve genellikle hava, su, ısı ve sürekli strese karşı dayanıklıdır. Bununla birlikte, ürünlerini üretmek ve rafine etmek için daha fazla kaynak (yani daha pahalı) gerektirirler. Plastik, daha az kütle gerektirirken metalin bazı işlevlerini sağlar ve üretimi çok ucuzdur. Özellikleri neredeyse her kullanım için özelleştirilebilir. Ancak, ucuz ticari plastikler korkunç yapı malzemeleridir: plastik ev aletleri iyi bir şey değildir ve kimse plastik bir evde yaşamak istemez. Ayrıca, genellikle fosil yakıtlardan rafine edilirler.
Bazı uygulamalarda doğal ahşap, metaller ve plastiklerle rekabet edebilir. Çoğu aile evi ahşap iskelet üzerine inşa edilmiştir. Sorun şu ki, doğal ahşap çok yumuşak ve suya karşı çok kolay hasar gördüğü için çoğu zaman plastik ve metalin yerini alamaz. Matter dergisinde yayınlanan yakın tarihli bir makale, bu sınırlamaların üstesinden gelen sertleştirilmiş bir ahşap malzemenin oluşturulmasını araştırıyor. Bu araştırma, ahşap bıçak ve çivilerin yaratılmasıyla sonuçlandı. Ahşap bıçak ne kadar iyi ve yakın zamanda kullanacak mısınız?
Odunun lifli yapısı yaklaşık %50 oranında selülozdan oluşur; selüloz, teorik olarak iyi mukavemet özelliklerine sahip doğal bir polimerdir. Odun yapısının geri kalan yarısı ise esas olarak lignin ve hemiselülozdan oluşur. Selüloz, oduna doğal mukavemetinin omurgasını sağlayan uzun, sert lifler oluştururken, hemiselülozun tutarlı bir yapısı yoktur ve bu nedenle odunun mukavemetine hiçbir katkıda bulunmaz. Lignin, selüloz lifleri arasındaki boşlukları doldurur ve canlı odun için faydalı görevler yerine getirir. Ancak insanların odunu sıkıştırma ve selüloz liflerini daha sıkı bir şekilde birbirine bağlama amacı için lignin bir engel haline gelmiştir.
Bu çalışmada, doğal ahşap dört aşamada sertleştirilmiş ahşap (HW) haline getirildi. İlk olarak, ahşap, hemiselüloz ve lignin içeriğinin bir kısmını uzaklaştırmak için sodyum hidroksit ve sodyum sülfat içinde kaynatıldı. Bu kimyasal işlemden sonra, ahşap oda sıcaklığında birkaç saat preslenerek yoğunlaştırıldı. Bu işlem, ahşaptaki doğal boşlukları veya gözenekleri azaltır ve bitişik selüloz lifleri arasındaki kimyasal bağları güçlendirir. Daha sonra, yoğunlaşmayı tamamlamak için ahşap birkaç saat daha 105°C'de (221°F) basınç altında tutuldu ve ardından kurutuldu. Son olarak, bitmiş ürünü su geçirmez hale getirmek için ahşap 48 saat boyunca mineral yağa batırıldı.
Yapı malzemesinin mekanik özelliklerinden biri de girinti sertliğidir; bu, malzemeye kuvvet uygulandığında deformasyona karşı direnme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Elmas, çelikten, altından, ahşaptan ve ambalaj köpüğünden daha serttir. Sertliği belirlemek için kullanılan birçok mühendislik testinden biri olan Brinell testi, mücevher biliminde kullanılan Mohs sertliği gibi testlerin yanı sıra, basit bir yöntemle test yüzeyine bastırılan sert bir metal bilyenin oluşturduğu dairesel girintinin çapı ölçülerek, Brinell sertlik değerinin matematiksel bir formülle hesaplanmasıyla elde edilir. Kabaca söylemek gerekirse, bilyenin çarptığı delik ne kadar büyükse, malzeme o kadar yumuşaktır. Bu testte, HW doğal ahşaptan 23 kat daha serttir.
İşlenmemiş doğal ahşabın çoğu suyu emer. Bu, ahşabın genleşmesine ve sonunda yapısal özelliklerinin bozulmasına neden olabilir. Yazarlar, doğal ahşabın su direncini artırmak ve onu daha hidrofobik ("sudan korkan") hale getirmek için iki günlük bir mineral banyosu kullandılar. Hidrofobiklik testi, bir yüzeye bir damla su damlatmayı içerir. Yüzey ne kadar hidrofobikse, su damlacıkları o kadar küresel hale gelir. Öte yandan, hidrofilik ("su seven") bir yüzey, damlacıkları düz bir şekilde yayar (ve dolayısıyla suyu daha kolay emer). Bu nedenle, mineral banyosu sadece doğal ahşabın hidrofobikliğini önemli ölçüde artırmakla kalmaz, aynı zamanda ahşabın nemi emmesini de önler.
Bazı mühendislik testlerinde, HW bıçakları metal bıçaklardan biraz daha iyi performans gösterdi. Yazarlar, HW bıçağının piyasada bulunan ticari bir bıçağa göre yaklaşık üç kat daha keskin olduğunu iddia ediyor. Ancak bu ilginç sonuçla ilgili bir uyarı var. Araştırmacılar, sofra bıçaklarını veya tereyağı bıçağı diyebileceğimiz bıçakları karşılaştırıyorlar. Bunların özellikle keskin olması amaçlanmamıştır. Yazarlar, bıçaklarının biftek kestiği bir video gösteriyorlar, ancak oldukça güçlü bir yetişkin muhtemelen aynı bifteği metal bir çatalın kör tarafıyla kesebilir ve bir biftek bıçağı çok daha iyi sonuç verecektir.
Peki ya çiviler? Görünüşe göre tek bir HW çivisi, demir çivilere kıyasla nispeten kolay olsa da, üç tahtadan oluşan bir yığına kolayca çakılabiliyor. Ahşap çiviler daha sonra tahtaları bir arada tutarak, onları birbirinden ayıracak kuvvete karşı demir çivilerle yaklaşık aynı sağlamlıkta direnç gösteriyor. Ancak testlerinde, her iki durumda da tahtalar çivilerden önce kırıldı, bu nedenle daha güçlü çiviler açığa çıkmadı.
Ahşap çiviler başka açılardan daha mı iyi? Ahşap çiviler daha hafiftir, ancak yapının ağırlığı esas olarak onu bir arada tutan çivilerin kütlesinden kaynaklanmaz. Ahşap çiviler paslanmaz. Ancak, suya dayanıklı veya biyolojik olarak parçalanabilir değildir.
Yazarın, ahşabı doğal ahşaptan daha güçlü hale getirme sürecini geliştirdiğine şüphe yok. Ancak, donanımın belirli bir iş için kullanışlılığı daha fazla araştırma gerektiriyor. Plastik kadar ucuz ve kaynak gerektirmeyen olabilir mi? Daha güçlü, daha çekici ve sonsuz kez yeniden kullanılabilen metal nesnelerle rekabet edebilir mi? Araştırmaları ilginç sorular ortaya koyuyor. Devam eden mühendislik çalışmaları (ve nihayetinde piyasa) bu soruları yanıtlayacaktır.
Yayın tarihi: 13 Nisan 2022
