La fusta i el metall naturals han estat materials de construcció essencials per als humans durant milers d'anys. Els polímers sintètics que anomenem plàstics són una invenció recent que va explotar al segle XX.
Tant els metalls com els plàstics tenen propietats que són adequades per a l'ús industrial i comercial. Els metalls són forts, rígids i generalment resistents a l'aire, l'aigua, la calor i l'estrès constant. Tanmateix, també requereixen més recursos (cosa que significa més car) per produir i refinar els seus productes. El plàstic proporciona algunes de les funcions del metall alhora que requereix menys massa i és molt barat de produir. Les seves propietats es poden personalitzar per a gairebé qualsevol ús. Tanmateix, els plàstics comercials barats fan materials estructurals terribles: els electrodomèstics de plàstic no són una bona cosa i ningú vol viure en una casa de plàstic. A més, sovint es refinen a partir de combustibles fòssils.
En algunes aplicacions, la fusta natural pot competir amb els metalls i els plàstics. La majoria de les cases familiars estan construïdes sobre entramats de fusta. El problema és que la fusta natural és massa tova i es fa malbé massa fàcilment per l'aigua per substituir el plàstic i el metall la majoria del temps. Un article recent publicat a la revista Matter explora la creació d'un material de fusta endurida que supera aquestes limitacions. Aquesta investigació va culminar en la creació de ganivets i claus de fusta. Què tan bo és el ganivet de fusta i l'utilitzareu aviat?
L'estructura fibrosa de la fusta consisteix aproximadament en un 50% de cel·lulosa, un polímer natural amb teòricament bones propietats de resistència. La meitat restant de l'estructura de la fusta és principalment lignina i hemicel·lulosa. Mentre que la cel·lulosa forma fibres llargues i resistents que proporcionen a la fusta l'esquelet de la seva resistència natural, l'hemicel·lulosa té poca estructura coherent i, per tant, no contribueix en res a la resistència de la fusta. La lignina omple els buits entre les fibres de cel·lulosa i realitza tasques útils per a la fusta viva. Però per al propòsit humà de compactar la fusta i unir les seves fibres de cel·lulosa més fortament, la lignina es va convertir en un obstacle.
En aquest estudi, la fusta natural es va convertir en fusta endurida (HW) en quatre passos. Primer, la fusta es bull en hidròxid de sodi i sulfat de sodi per eliminar part de l'hemicel·lulosa i la lignina. Després d'aquest tractament químic, la fusta es torna més densa premsant-la en una premsa durant diverses hores a temperatura ambient. Això redueix els buits o porus naturals de la fusta i millora l'enllaç químic entre les fibres de cel·lulosa adjacents. A continuació, la fusta es pressuritza a 105 °C (221 °F) durant unes hores més per completar la densificació i després s'asseca. Finalment, la fusta es submergeix en oli mineral durant 48 hores per fer que el producte acabat sigui impermeable.
Una propietat mecànica d'un material estructural és la duresa a la indentació, que és una mesura de la seva capacitat per resistir la deformació quan es comprimeix amb força. El diamant és més dur que l'acer, més dur que l'or, més dur que la fusta i més dur que l'escuma d'embalatge. Entre les moltes proves d'enginyeria que s'utilitzen per determinar la duresa, com ara la duresa de Mohs utilitzada en gemmologia, la prova de Brinell n'és una. El seu concepte és senzill: es prem un rodament de boles de metall dur a la superfície de prova amb una certa força. Es mesura el diàmetre de la indentació circular creada per la bola. El valor de duresa de Brinell es calcula mitjançant una fórmula matemàtica; a grans trets, com més gran sigui el forat que colpeja la bola, més tou serà el material. En aquesta prova, la duresa de Brinell és 23 vegades més dura que la fusta natural.
La majoria de la fusta natural sense tractar absorbeix aigua. Això pot expandir la fusta i, finalment, destruir les seves propietats estructurals. Els autors van utilitzar un remull mineral de dos dies per augmentar la resistència a l'aigua de la fusta bruta (HW), fent-la més hidròfoba ("por de l'aigua"). La prova d'hidrofobicitat consisteix a col·locar una gota d'aigua sobre una superfície. Com més hidròfoba és la superfície, més esfèriques es tornen les gotes d'aigua. Una superfície hidròfila ("amant de l'aigua"), en canvi, estén les gotes planes (i posteriorment absorbeix l'aigua més fàcilment). Per tant, el remull mineral no només augmenta significativament la hidrofobicitat de la HW, sinó que també evita que la fusta absorbeixi humitat.
En algunes proves d'enginyeria, els ganivets HW van tenir un rendiment lleugerament millor que els ganivets metàl·lics. Els autors afirmen que el ganivet HW és aproximadament tres vegades més afilat que un ganivet disponible comercialment. Tanmateix, hi ha una advertència sobre aquest resultat interessant. Els investigadors estan comparant ganivets de taula, o el que podríem anomenar ganivets de mantega. Aquests no estan pensats per ser particularment afilats. Els autors mostren un vídeo del seu ganivet tallant un filet, però un adult raonablement fort probablement podria tallar el mateix filet amb el costat desafilat d'una forquilla metàl·lica, i un ganivet per a filet funcionaria molt millor.
I què passa amb els claus? Un sol clau de fusta resistent es pot clavar fàcilment en una pila de tres taulons, tot i que no és tan detallat com ho és amb una relativa facilitat en comparació amb els claus de ferro. Les clavilles de fusta poden mantenir les taulons juntes, resistint la força que les separaria, amb aproximadament la mateixa resistència que les clavilles de ferro. En les seves proves, però, les taulons en ambdós casos van fallar abans que fallés cap dels claus, de manera que els claus més forts no van quedar exposats.
Són millors els claus de fusta resistents a l'aigua en altres aspectes? Les estaques de fusta són més lleugeres, però el pes de l'estructura no es deu principalment a la massa de les estaques que la mantenen unida. Les estaques de fusta no s'oxidaran. Tanmateix, no seran impermeables a l'aigua ni a la biodescomposició.
No hi ha dubte que l'autor ha desenvolupat un procés per fer que la fusta sigui més resistent que la fusta natural. Tanmateix, la utilitat dels ferramentes per a qualsevol treball en particular requereix més estudis. Pot ser tan barat i sense recursos com el plàstic? Pot competir amb objectes metàl·lics més resistents, atractius i infinitament reutilitzables? La seva recerca planteja preguntes interessants. L'enginyeria contínua (i, en última instància, el mercat) les respondrà.
Data de publicació: 13 d'abril de 2022
