硬化した木製ナイフはテーブルナイフの3倍の切れ味を誇ります

天然木と金属は、何千年もの間、人間の建築に不可欠な材料として機能してきました。 私たちがプラスチックと呼ぶ合成ポリマーは最近の発明であり、20 世紀に爆発的に普及しました。

金属とプラスチックはどちらも、工業用および商業用途に優れた特性を備えています。 金属は強くて硬く、一般に空気、水、熱、持続的なストレスに対して耐性があります。 ただし、製品の製造と精製にはより多くのリソースが必要になります（つまり、より高価になります）。 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。 それらの特性は、ほぼあらゆる用途に合わせて調整できます。 しかし、市販の安価なプラスチックは構造材料としては劣悪です。プラスチック製の食器は何の役にも立ちませんし、誰もプラスチックの家に住みたくありません。 さらに、それらは一般に化石燃料から精製されます。

天然木は、用途によっては金属やプラスチックと競合することがあります。 ほとんどの家族向け住宅は木造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、ほとんどの場合、プラスチックや金属の代わりに水に侵されやすいことです。 最近マター誌に掲載された論文では、これらの制限を克服する硬化木材の作成を検討しています。 研究は木製ナイフと釘の作成で最高潮に達します。 木製ナイフはとても良いものです。すぐに使用する予定ですか?

木材の繊維構造は、約 50 パーセントがセルロースで構成されています。セルロースは、裸の状態で理論的には優れた強度特性を備えている天然ポリマーです。 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。 セルロースは長くて丈夫な繊維を形成し、木材に自然な強度の骨格を与えますが、ヘミセルロースは凝集構造がほとんどないため、木材の強度には寄与しません。 リグニンはセルロース繊維間の隙間を埋め、生きた木材にとって有用な働きをします。 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にとって、リグニンは邪魔になります。

この研究では、天然木を 4 つのステップで硬化木材 (HW) にします。 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取り除きます。 この化学処理の後、室温でプレス機で数時間圧縮することで木材の密度を高めます。 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、木材を 105°C (221°F) でさらに数時間プレスして緻密化を完了し、乾燥させます。 最後に木材をミネラルオイルに48時間浸し、完成品に耐水性を与えます。

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、力で押されたときの変形に抵抗する能力の尺度です。 ダイヤモンドは鋼よりも硬く、鋼は金よりも硬く、木は梱包材よりも硬いです。 宝石学のモーススケールなど、硬度を測定するための多くの工学試験の中に、ブリネル試験があります。 そのコンセプトはシンプルです。硬質金属製のボール ベアリングを一定の力で試験面に押し込みます。 ボールによって作られた円形のくぼみの直径が測定されます。 ブリネル硬度数は数式で計算されます。 大まかに言えば、ボールの穴が大きくなるほど、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 倍の硬さを測定しました。

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、最終的にはその構造特性が破壊されます。 著者らは、HW の耐水性を向上させるために 2 日間のミネラル浸漬を使用し、より疎水性 (「水を恐れる」) にしました。 疎水性のテストは、表面に水を一滴垂らすことです。 表面の疎水性が高まるほど、水滴はより球状になります。 一方、親水性 (「水を好む」) 表面は、ドロップアウトを平らに広げます (その後、水をより容易に吸収します)。 したがって、ミネラル浸漬は HW の疎水性を劇的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。

硬化した木材は何に使用できますか? 著者は、ナイフと釘という 2 つの HW オブジェクトを作成します。

いくつかの工学テストでは、HW ナイフの方が金属製のナイフよりもわずかに優れた性能を発揮します。 著者らは、HW ナイフは市販のナイフよりも約 3 倍鋭いと主張しています。 ただし、この興味深い結果には注意点が 1 つあります。 研究者たちはテーブルナイフ、いわゆるバターナイフを比較していました。 これらは特に鋭利な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見せているが、ある程度力のある大人であれば、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だろうし、ステーキナイフの方がはるかにうまく機能するだろう。

爪はどうですか？ HW 釘は、3 枚の板を重ねたものにそれほど苦労せずに打ち込むことができるようですが、鉄釘と比べて比較的簡単であることについては詳しく説明されていません。 木の釘は、鉄の釘とほぼ同じ粘り強さで、ボードを引き裂く力に抗してボードを一緒に保持することができます。 しかし、彼らのテストでは、どちらの場合でもどちらかの釘が破損する前にボードが破損するため、どちらの釘がより強いかは明らかにされません。

HW ネイルは他の点で優れていますか? 木の釘は軽いですが、構造物の重量は主に構造物を固定している釘の質量によって決まるわけではありません。 木釘は錆びにくいです。 ただし、水分の吸収や生物学的腐敗に対しては影響を受けないわけではありません。

著者らは間違いなく、天然の木材よりも大幅に強い木材を作成するプロセスを開発しました。 ただし、特定のジョブに対する HW 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に、少ない資源で作ることができるだろうか？ より強力で、より魅力的で、無限に再利用可能な金属製の物体と競合できるでしょうか? 彼らの研究は興味深い疑問を引き起こします。 継続的なエンジニアリング (そして最終的には市場) がそれらに答えます。