Il coltello in legno temprato è tre volte più affilato del coltello da tavola

Il legno naturale e il metallo sono stati per millenni materiali da costruzione essenziali per l’uomo. I polimeri sintetici che chiamiamo plastica sono un’invenzione recente, esplosa nel XX secolo.

Sia i metalli che la plastica possiedono proprietà eccellenti per usi industriali e commerciali. I metalli sono forti, duri e generalmente resistenti all’aria, all’acqua, al calore e allo stress prolungato. Ma richiedono anche più risorse (il che significa più costosi) da produrre e perfezionare in prodotti. La plastica offre alcune delle potenzialità dei metalli, pur richiedendo meno massa e è estremamente economica da produrre. Le loro proprietà possono essere adattate praticamente a qualsiasi utilizzo. Tuttavia, la plastica commerciale a buon mercato produce materiali strutturali scadenti: gli utensili di plastica non sono buoni e nessuno vuole vivere in una casa di plastica. Inoltre, sono generalmente raffinati da combustibili fossili.

Il legno naturale può competere con il metallo e la plastica in alcune applicazioni. La maggior parte delle case unifamiliari sono costruite su strutture in legno. Il problema è che il legno naturale è troppo morbido e troppo facilmente compromesso dall’acqua per sostituire nella maggior parte dei casi plastica e metallo. Un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Matter esplora la creazione di un materiale in legno indurito che superi queste limitazioni. La ricerca culmina nella creazione di coltelli e chiodi in legno. Quanto è buono un coltello di legno e ne utilizzerai uno presto?

La struttura fibrosa del legno è composta per circa il 50% da cellulosa, un polimero naturale che in forma nuda possiede teoricamente buone proprietà di resistenza. La restante metà della struttura del legno è costituita principalmente da lignina ed emicellulosa. Mentre la cellulosa forma fibre lunghe e resistenti che conferiscono al legno la spina dorsale della sua forza naturale, l'emicellulosa ha una struttura poco coerente e quindi non contribuisce alla resistenza del legno. La lignina riempie gli spazi tra le fibre di cellulosa e svolge compiti utili per il legno vivo. Ma per gli scopi umani di compattazione del legno e di legame più stretto tra le sue fibre di cellulosa, la lignina si intromette.

In questo studio, il legno naturale viene trasformato in legno indurito (HW) in quattro fasi. Innanzitutto, il legno viene bollito in idrossido di sodio e solfato di sodio per eliminare parte dell'emicellulosa e della lignina. Dopo questo trattamento chimico, il legno viene reso più denso spremendolo in una pressa a temperatura ambiente per diverse ore. Ciò riduce gli spazi naturali o i pori nel legno e migliora il legame chimico tra le fibre di cellulosa vicine. Successivamente, il legno viene pressato per diverse ore a 105° C (221° F) per terminare la densificazione e quindi per asciugarsi. Infine, il legno viene immerso in olio minerale per 48 ore, conferendo resistenza all'acqua al prodotto finito.

Una proprietà meccanica di un materiale strutturale è la durezza alla rientranza, una misura della sua capacità di resistere alla deformazione quando viene sollecitato da una forza. Il diamante è più duro dell'acciaio, che è più duro dell'oro, che è più duro del legno, che è più duro della schiuma da imballaggio. Tra una serie di test ingegneristici per determinare la durezza, come la scala Mohs per la gemmologia, c'è il test Brinell. Il suo concetto è semplice: un cuscinetto a sfera in metallo duro viene premuto con una certa forza sulla superficie di prova. Viene misurato il diametro della rientranza circolare creata dalla sfera. Il numero di durezza Brinell si calcola con una formula matematica; in parole povere, quanto più grande è il foro realizzato dalla pallina, tanto più morbido è il materiale. In questo test l'HW misura 23 volte più duro del legno naturale.

La maggior parte dei legni naturali non trattati assorbirà l'acqua. Questo espande il legno e alla fine distrugge le sue proprietà strutturali. Gli autori utilizzano l'ammollo minerale di due giorni per migliorare la resistenza all'acqua dell'HW, rendendolo più idrofobo ("paura dell'acqua"). Un test per l'idrofobicità consiste nel posizionare una goccia d'acqua su una superficie. Più la superficie è idrofobica, più la goccia d’acqua diventerà simile a una sfera. D'altro canto, una superficie idrofila ("amante dell'acqua") distribuirà le gocce in modo piatto (e successivamente assorbirà l'acqua molto più facilmente). Pertanto, l'ammollo minerale non solo aumenta notevolmente l'idrofobicità dell'HW, ma impedisce al legno di assorbire acqua.