გამაგრებული ხის დანები სამჯერ უფრო ბასრია, ვიდრე სუფრის დანები

ბუნებრივი ხე და ლითონი ათასობით წლის განმავლობაში ადამიანისთვის აუცილებელი სამშენებლო მასალები იყო. სინთეზური პოლიმერები, რომლებსაც პლასტმასს ვუწოდებთ, ბოლოდროინდელი გამოგონებაა, რომელიც XX საუკუნეში სწრაფად გავრცელდა.
როგორც ლითონებს, ასევე პლასტმასებს აქვთ თვისებები, რომლებიც კარგად არის შესაფერისი სამრეწველო და კომერციული გამოყენებისთვის. ლითონები მტკიცე, ხისტი და ზოგადად მდგრადია ჰაერის, წყლის, სითბოს და მუდმივი დატვირთვის მიმართ. თუმცა, მათ ასევე სჭირდებათ მეტი რესურსი (რაც ნიშნავს უფრო ძვირიან ფასებს) მათი პროდუქციის წარმოებისა და დახვეწისთვის. პლასტმასი უზრუნველყოფს ლითონის ზოგიერთ ფუნქციას, ამავდროულად მოითხოვს ნაკლებ მასას და წარმოება ძალიან იაფია. მათი თვისებების მორგება თითქმის ნებისმიერი გამოყენებისთვის შეიძლება. თუმცა, იაფი კომერციული პლასტმასი საშინელი სტრუქტურული მასალებია: პლასტმასის ტექნიკა არ არის კარგი რამ და არავის სურს პლასტმასის სახლში ცხოვრება. გარდა ამისა, ისინი ხშირად გადამუშავდება წიაღისეული საწვავისგან.
ზოგიერთ შემთხვევაში, ბუნებრივ ხეს შეუძლია კონკურენცია გაუწიოს ლითონებსა და პლასტმასებს. ოჯახური სახლების უმეტესობა ხის კარკასზეა აგებული. პრობლემა ის არის, რომ ბუნებრივი ხე ძალიან რბილია და წყლით ადვილად ზიანდება, რომ უმეტეს შემთხვევაში პლასტმასისა და ლითონის ჩანაცვლება შეძლოს. ჟურნალ Matter-ში გამოქვეყნებული ნაშრომი იკვლევს გამაგრებული ხის მასალის შექმნას, რომელიც გადალახავს ამ შეზღუდვებს. ეს კვლევა კულმინაციას ხის დანებისა და ლურსმნების შექმნით დაგვირგვინდა. რამდენად კარგია ხის დანა და გამოიყენებთ თუ არა მას უახლოეს მომავალში?
ხის ბოჭკოვანი სტრუქტურა დაახლოებით 50%-ით შედგება ცელულოზისგან, ბუნებრივი პოლიმერისგან, რომელსაც თეორიულად კარგი სიმტკიცის თვისებები აქვს. ხის სტრუქტურის დარჩენილი ნახევარი ძირითადად ლიგნინისა და ჰემიცელულოზისგან შედგება. მიუხედავად იმისა, რომ ცელულოზა ქმნის გრძელ, მყარ ბოჭკოებს, რომლებიც ხის ბუნებრივი სიმტკიცის საფუძველს წარმოადგენს, ჰემიცელულოზას მცირე თანმიმდევრული სტრუქტურა აქვს და შესაბამისად, ხის სიმტკიცეს არანაირად არ უწყობს ხელს. ლიგნინი ავსებს ცელულოზის ბოჭკოებს შორის არსებულ სიცარიელეებს და ასრულებს სასარგებლო ფუნქციებს ცოცხალი ხისთვის. მაგრამ ადამიანის მიზნისთვის, რომელიც ხის დატკეპნას და მისი ცელულოზის ბოჭკოების ერთმანეთთან უფრო მჭიდროდ შეკავშირებას გულისხმობდა, ლიგნინი დაბრკოლება გახდა.
ამ კვლევაში, ბუნებრივი ხისგან გამაგრებულ ხედ (HW) ოთხი ეტაპით გადაკეთდა. პირველ რიგში, ხეს ადუღებენ ნატრიუმის ჰიდროქსიდსა და ნატრიუმის სულფატში, რათა მოიხსნას ჰემიცელულოზისა და ლიგნინის ნაწილი. ამ ქიმიური დამუშავების შემდეგ, ხე უფრო მკვრივი ხდება პრესში რამდენიმე საათის განმავლობაში ოთახის ტემპერატურაზე დაჭერის გზით. ეს ამცირებს ხეში ბუნებრივ ნაპრალებს ან ფორებს და აძლიერებს ქიმიურ კავშირს მიმდებარე ცელულოზის ბოჭკოებს შორის. შემდეგ, ხეს კიდევ რამდენიმე საათის განმავლობაში აწნევენ 105°C (221°F) ტემპერატურაზე, რათა დასრულდეს გამკვრივება, შემდეგ კი აშრობენ. და ბოლოს, ხეს 48 საათის განმავლობაში ათავსებენ მინერალურ ზეთში, რათა მზა პროდუქტი წყალგაუმტარი გახდეს.
სტრუქტურული მასალის ერთ-ერთი მექანიკური თვისებაა ჩაღრმავების სიმტკიცე, რომელიც წარმოადგენს მისი ძალის გამოყენებით დაჭერისას დეფორმაციისადმი წინააღმდეგობის გაწევის უნარის საზომს. ბრილიანტი უფრო მყარია, ვიდრე ფოლადი, უფრო მყარი ვიდრე ოქრო, უფრო მყარი ვიდრე ხე და უფრო მყარი ვიდრე შესაფუთი ქაფი. სიმტკიცის დასადგენად გამოყენებულ მრავალ საინჟინრო ტესტს შორის, როგორიცაა გემოლოგიაში გამოყენებული მოჰსის სიმტკიცე, ბრინელის ტესტი ერთ-ერთი მათგანია. მისი კონცეფცია მარტივია: მყარი ლითონის ბურთულიანი საკისარი გარკვეული ძალით არის დაჭერილი ტესტის ზედაპირზე. გაზომეთ ბურთის მიერ შექმნილი წრიული ჩაღრმავების დიამეტრი. ბრინელის სიმტკიცის მნიშვნელობა გამოითვლება მათემატიკური ფორმულის გამოყენებით; უხეშად რომ ვთქვათ, რაც უფრო დიდ ხვრელს ხვდება ბურთი, მით უფრო რბილია მასალა. ამ ტესტში, HW 23-ჯერ უფრო მყარია, ვიდრე ბუნებრივი ხე.
დაუმუშავებელი ბუნებრივი ხის უმეტესობა წყალს შთანთქავს. ამან შეიძლება ხე გააფართოვოს და საბოლოოდ გაანადგუროს მისი სტრუქტურული თვისებები. ავტორებმა გამოიყენეს ორდღიანი მინერალური დალბობა ხის წყლის წინააღმდეგობის გასაზრდელად, რაც მას უფრო ჰიდროფობიურს („წყლის ეშინია“) გახდის. ჰიდროფობიურობის ტესტი გულისხმობს ზედაპირზე წყლის წვეთის მოთავსებას. რაც უფრო ჰიდროფობიურია ზედაპირი, მით უფრო სფერული ხდება წყლის წვეთები. მეორეს მხრივ, ჰიდროფილური („წყლის მოყვარული“) ზედაპირი წვეთებს ბრტყლად ანაწილებს (და შემდგომში უფრო ადვილად შთანთქავს წყალს). ამიტომ, მინერალური დალბობა არა მხოლოდ მნიშვნელოვნად ზრდის ხის ჰიდროფობიურობას, არამედ ხელს უშლის ხის მიერ ტენიანობის შთანთქმას.
ზოგიერთ საინჟინრო ტესტში, მძიმე დანები ოდნავ უკეთესად მუშაობდნენ, ვიდრე ლითონის დანები. ავტორები ამტკიცებენ, რომ მძიმე დანები დაახლოებით სამჯერ უფრო ბასრია, ვიდრე კომერციულად ხელმისაწვდომი დანა. თუმცა, ამ საინტერესო შედეგს აქვს ერთი გაფრთხილება. მკვლევარები ადარებენ სუფრის დანებს, ანუ იმას, რასაც შეიძლება კარაქის დანებს ვუწოდოთ. ეს დანები განსაკუთრებით ბასრი არ არის. ავტორები აჩვენებენ ვიდეოს, სადაც მათი დანით სტეიკი იჭრება, მაგრამ საკმაოდ ძლიერ ზრდასრულ ადამიანს, სავარაუდოდ, შეეძლო იგივე სტეიკის დაჭრა ლითონის ჩანგლის ბლაგვი მხრიდან და სტეიკის დანა ბევრად უკეთესად იმუშავებდა.
რაც შეეხება ლურსმნებს? როგორც ჩანს, ერთი მძიმე ლურსმანი შეიძლება მარტივად ჩაჭედოს სამი ფიცრის გროვად, თუმცა ეს არც ისე დეტალურადაა აღწერილი, რამდენადაც რკინის ლურსმნებთან შედარებით შედარებით მარტივია. შემდეგ ხის სამაგრებს შეუძლიათ ფიცრების ერთად დამაგრება, რაც წინააღმდეგობას უწევს მათ გახლეჩვის ძალას, დაახლოებით იგივე სიმტკიცით, როგორც რკინის სამაგრებს. თუმცა, მათ მიერ ჩატარებული ტესტების დროს დადგინდა, რომ ორივე შემთხვევაში დაფები რომელიმე ლურსმანის გაფუჭებამდე გაფუჭდა, ამიტომ უფრო ძლიერი ლურსმნები არ გამოაშკარავდა.
სხვა მხრივ უკეთესია თუ არა მძიმე ხის ლურსმნები? ხის სამაგრები უფრო მსუბუქია, მაგრამ სტრუქტურის წონა, ძირითადად, არ არის დამოკიდებული იმ სამაგრების მასაზე, რომლებიც მას ერთად ამაგრებენ. ხის სამაგრები არ იჟანგება. თუმცა, ისინი არ არიან წყალგაუმტარი ან ბიოდაშლის მიმართ.
ეჭვგარეშეა, რომ ავტორმა შეიმუშავა პროცესი, რომელიც ხეს ბუნებრივ ხეზე უფრო მტკიცედ აქცევს. თუმცა, ნებისმიერი კონკრეტული სამუშაოსთვის ტექნიკის გამოყენება შემდგომ შესწავლას საჭიროებს. შეიძლება თუ არა ის ისეთივე იაფი და რესურსების გარეშე იყოს, როგორც პლასტმასი? შეუძლია თუ არა მას კონკურენცია გაუწიოს უფრო ძლიერ, უფრო მიმზიდველ, უსასრულოდ მრავალჯერად ლითონის ობიექტებს? მათი კვლევა საინტერესო კითხვებს ბადებს. მიმდინარე ინჟინერია (და საბოლოო ჯამში ბაზარი) უპასუხებს მათ.