La madera natural y el metal han sido materiales de construcción esenciales para los seres humanos durante miles de años. Los polímeros sintéticos que llamamos plásticos son una invención reciente que tuvo su auge en el siglo XX.
Tanto los metales como los plásticos tienen propiedades que los hacen muy adecuados para el uso industrial y comercial. Los metales son fuertes, rígidos y generalmente resistentes al aire, al agua, al calor y al estrés constante. Sin embargo, también requieren más recursos (lo que significa que son más caros) para producir y refinar sus productos. El plástico proporciona algunas de las funciones del metal mientras que requiere menos masa y es muy barato de producir. Sus propiedades se pueden personalizar para casi cualquier uso. Sin embargo, los plásticos comerciales baratos son materiales estructurales terribles: los electrodomésticos de plástico no son algo bueno y nadie quiere vivir en una casa de plástico. Además, a menudo se refinan a partir de combustibles fósiles.
En algunas aplicaciones, la madera natural puede competir con los metales y los plásticos. La mayoría de las casas familiares están construidas sobre estructuras de madera. El problema es que la madera natural es demasiado blanda y se daña demasiado fácilmente con el agua para reemplazar al plástico y al metal la mayor parte del tiempo. Un artículo reciente publicado en la revista Matter explora la creación de un material de madera endurecida que supera estas limitaciones. Esta investigación culminó en la creación de cuchillos y clavos de madera. ¿Qué tan bueno es el cuchillo de madera y lo usarás pronto?
La estructura fibrosa de la madera se compone de aproximadamente un 50% de celulosa, un polímero natural con propiedades de resistencia teóricamente buenas. La mitad restante de la estructura de la madera es principalmente lignina y hemicelulosa. Mientras que la celulosa forma fibras largas y resistentes que proporcionan a la madera la columna vertebral de su resistencia natural, la hemicelulosa tiene poca estructura coherente y, por lo tanto, no contribuye en nada a la resistencia de la madera. La lignina llena los huecos entre las fibras de celulosa y realiza tareas útiles para la madera viva. Pero para el propósito de los humanos de compactar la madera y unir más estrechamente sus fibras de celulosa, la lignina se convirtió en un obstáculo.
En este estudio, la madera natural se convirtió en madera endurecida (HW) en cuatro pasos. Primero, la madera se hierve en hidróxido de sodio y sulfato de sodio para eliminar parte de la hemicelulosa y la lignina. Después de este tratamiento químico, la madera se vuelve más densa al presionarla en una prensa durante varias horas a temperatura ambiente. Esto reduce los huecos o poros naturales en la madera y mejora la unión química entre las fibras de celulosa adyacentes. A continuación, la madera se presuriza a 105 ° C (221 ° F) durante algunas horas más para completar la densificación y luego se seca. Finalmente, la madera se sumerge en aceite mineral durante 48 horas para que el producto terminado sea impermeable.
Una propiedad mecánica de un material estructural es la dureza de indentación, que es una medida de su capacidad para resistir la deformación cuando se comprime con fuerza. El diamante es más duro que el acero, más duro que el oro, más duro que la madera y más duro que la espuma de embalaje. Entre las muchas pruebas de ingeniería utilizadas para determinar la dureza, como la dureza de Mohs utilizada en gemología, la prueba Brinell es una de ellas. Su concepto es simple: se presiona una bola de metal duro en la superficie de prueba con una cierta fuerza. Mida el diámetro de la sangría circular creada por la bola. El valor de dureza Brinell se calcula utilizando una fórmula matemática; en términos generales, cuanto más grande sea el agujero que golpea la bola, más blando será el material. En esta prueba, HW es 23 veces más duro que la madera natural.
La mayoría de la madera natural sin tratar absorberá agua. Esto puede expandir la madera y eventualmente destruir sus propiedades estructurales. Los autores utilizaron un remojo mineral de dos días para aumentar la resistencia al agua del HW, haciéndolo más hidrófobo ("temeroso del agua"). La prueba de hidrofobicidad implica colocar una gota de agua sobre una superficie. Cuanto más hidrófoba sea la superficie, más esféricas se vuelven las gotas de agua. Una superficie hidrófila ("amante del agua"), por otro lado, extiende las gotas planas (y posteriormente absorbe el agua con mayor facilidad). Por lo tanto, el remojo mineral no solo aumenta significativamente la hidrofobicidad del HW, sino que también evita que la madera absorba humedad.
En algunas pruebas de ingeniería, los cuchillos HW funcionaron ligeramente mejor que los cuchillos de metal. Los autores afirman que el cuchillo HW es aproximadamente tres veces más afilado que un cuchillo disponible comercialmente. Sin embargo, hay una salvedad en este interesante resultado. Los investigadores están comparando cuchillos de mesa, o lo que podríamos llamar cuchillos de mantequilla. Estos no están diseñados para ser particularmente afilados. Los autores muestran un video de su cuchillo cortando un filete, pero un adulto razonablemente fuerte probablemente podría cortar el mismo filete con el lado sin filo de un tenedor de metal, y un cuchillo de carne funcionaría mucho mejor.
¿Qué pasa con los clavos? Aparentemente, un solo clavo HW se puede clavar fácilmente en una pila de tres tablones, aunque no con tanto detalle como con relativa facilidad en comparación con los clavos de hierro. Las clavijas de madera pueden entonces mantener unidos los tablones, resistiendo la fuerza que los desgarraría, con aproximadamente la misma dureza que las clavijas de hierro. Sin embargo, en sus pruebas, las tablas en ambos casos fallaron antes de que fallara cualquiera de los clavos, por lo que los clavos más fuertes no quedaron expuestos.
¿Son los clavos HW mejores en otros aspectos? Las clavijas de madera son más livianas, pero el peso de la estructura no depende principalmente de la masa de las clavijas que la mantienen unida. Las clavijas de madera no se oxidan. Sin embargo, no serán impermeables al agua ni se biodescompondrán.
No cabe duda de que el autor ha desarrollado un proceso para hacer que la madera sea más resistente que la madera natural. Sin embargo, la utilidad de los herrajes para cualquier trabajo en particular requiere mayor estudio. ¿Pueden ser tan baratos y consumir menos recursos que el plástico? ¿Pueden competir con objetos metálicos más resistentes, atractivos e infinitamente reutilizables? Su investigación plantea preguntas interesantes. La ingeniería en desarrollo (y, en última instancia, el mercado) las responderá.
Hora de publicación: 13 de abril de 2022
