La madera natural y el metal han sido materiales de construcción esenciales para los humanos durante miles de años. Los polímeros sintéticos que llamamos plásticos son una invención reciente que tuvo un auge en el siglo XX.
Tanto los metales como los plásticos poseen propiedades idóneas para el uso industrial y comercial. Los metales son fuertes, rígidos y, en general, resistentes al aire, al agua, al calor y a la tensión constante. Sin embargo, también requieren más recursos (lo que implica un mayor costo) para su producción y refinamiento. El plástico ofrece algunas de las funciones del metal, pero requiere menos masa y su producción es muy económica. Sus propiedades pueden personalizarse para casi cualquier uso. No obstante, los plásticos comerciales baratos son pésimos materiales estructurales: los electrodomésticos de plástico no son una buena opción y nadie quiere vivir en una casa de plástico. Además, a menudo se refinan a partir de combustibles fósiles.
En ciertas aplicaciones, la madera natural puede competir con los metales y los plásticos. La mayoría de las casas familiares se construyen con estructura de madera. El problema es que la madera natural es demasiado blanda y se daña con demasiada facilidad con el agua como para reemplazar al plástico y al metal en la mayoría de los casos. 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 excelentes propiedades de resistencia teóricas. La otra mitad de la estructura de la madera está formada principalmente por lignina y hemicelulosa. Mientras que la celulosa forma fibras largas y resistentes que proporcionan a la madera la base de su resistencia natural, la hemicelulosa tiene poca coherencia estructural y, por lo tanto, no contribuye a la resistencia de la madera. La lignina rellena los huecos entre las fibras de celulosa y cumple funciones útiles para la madera viva. Sin embargo, para el propósito humano de compactar la madera y unir sus fibras de celulosa con mayor firmeza, la lignina se convirtió en un obstáculo.
En este estudio, se transformó madera natural en madera endurecida (ME) en cuatro etapas. Primero, la madera se hierve en hidróxido de sodio y sulfato de sodio para eliminar parte de la hemicelulosa y la lignina. Tras este tratamiento químico, la madera se densifica mediante prensado durante varias horas a temperatura ambiente. Esto reduce los huecos o poros naturales de la madera y mejora la unión química entre las fibras de celulosa adyacentes. A continuación, la madera se prensa a 105 °C (221 °F) durante algunas horas más para completar la densificación y, posteriormente, se seca. Finalmente, la madera se sumerge en aceite mineral durante 48 horas para impermeabilizar el producto final.
Una propiedad mecánica de un material estructural es la dureza a la indentación, que mide su resistencia a la deformación al ser sometido a presión. El diamante es más duro que el acero, el oro, la madera e incluso la espuma de embalaje. Entre las numerosas pruebas de ingeniería para determinar la dureza, como la escala de Mohs empleada en gemología, se encuentra la prueba Brinell. Su funcionamiento es sencillo: se presiona una bola de metal duro contra la superficie de prueba con una fuerza determinada. Se mide el diámetro de la huella circular que deja la bola. El valor de dureza Brinell se calcula mediante una fórmula matemática; en términos generales, cuanto mayor sea el orificio que deja la bola, más blando es el material. En esta prueba, el HW es 23 veces más duro que la madera natural.
La mayoría de la madera natural sin tratar absorbe agua. Esto puede expandirla y, con el tiempo, destruir sus propiedades estructurales. Los autores utilizaron un tratamiento mineral de dos días para aumentar la resistencia al agua de la madera, haciéndola más hidrófoba (o «repelente al agua»). La prueba de hidrófobo consiste en colocar una gota de agua sobre una superficie. Cuanto más hidrófoba sea la superficie, más esféricas serán las gotas de agua. En cambio, una superficie hidrófila (o «afín al agua») extiende las gotas (y, por consiguiente, absorbe agua con mayor facilidad). Por lo tanto, el tratamiento mineral no solo aumenta significativamente la hidrófobo de la madera, sino que también evita que absorba la humedad.
En algunas pruebas de ingeniería, los cuchillos HW tuvieron un rendimiento ligeramente superior al de los cuchillos metálicos. Los autores afirman que el cuchillo HW es aproximadamente tres veces más afilado que un cuchillo comercial. Sin embargo, este interesante resultado tiene una salvedad. Los investigadores comparan cuchillos de mesa, o lo que podríamos llamar cuchillos para mantequilla. Estos no están diseñados para ser particularmente afilados. Los autores muestran un vídeo de su cuchillo cortando un filete, pero un adulto con una fuerza razonable probablemente podría cortar el mismo filete con el lado romo de un tenedor metálico, y un cuchillo para carne funcionaría mucho mejor.
¿Y qué hay de los clavos? Un solo clavo de madera se puede clavar fácilmente en una pila de tres tablas, aunque no con tanto detalle, ya que es relativamente fácil en comparación con los clavos de hierro. Las clavijas de madera pueden entonces mantener las tablas unidas, resistiendo la fuerza que las separaría, con una resistencia similar a la de las clavijas de hierro. Sin embargo, en sus pruebas, las tablas en ambos casos cedieron antes que los clavos, por lo que los clavos más resistentes no quedaron expuestos.
¿Son mejores los clavos de madera en otros aspectos? Las clavijas de madera son más ligeras, pero el peso de la estructura no depende principalmente de la masa de las clavijas que la sujetan. Las clavijas de madera no se oxidan. Sin embargo, no son impermeables ni biodegradables.
No cabe duda de que el autor ha desarrollado un proceso para fabricar madera más resistente que la madera natural. Sin embargo, la utilidad de los herrajes para cualquier trabajo específico requiere mayor investigación. ¿Pueden ser tan económicos y sostenibles como el plástico? ¿Pueden competir con objetos metálicos más resistentes, atractivos e infinitamente reutilizables? Su investigación plantea interrogantes interesantes. La ingeniería en curso (y, en última instancia, el mercado) les dará respuesta.
Fecha de publicación: 13 de abril de 2022
