굳힌 나무칼은 식탁용 칼보다 3배 더 날카롭다.

천연 목재와 금속은 수천 년 동안 인간의 필수 건축 자재로 사용되었습니다. 우리가 플라스틱이라고 부르는 합성 고분자는 최근의 발명품으로 20세기에 폭발적으로 증가했습니다.

금속과 플라스틱 모두 산업 및 상업용으로 탁월한 특성을 가지고 있습니다. 금속은 강하고 단단하며 일반적으로 공기, 물, 열 및 지속적인 스트레스에 대해 탄력적입니다. 그러나 제품을 생산하고 정제하는 데에는 자원 집약적(즉, 비용이 더 많이 듭니다)이 있습니다. 플라스틱은 금속의 성능 중 일부를 제공하면서도 질량이 덜 필요하고 생산 비용이 매우 저렴합니다. 그들의 속성은 거의 모든 용도에 맞게 조정될 수 있습니다. 그러나 값싼 상업용 플라스틱은 형편없는 구조 재료를 만듭니다. 플라스틱 도구는 전혀 좋지 않으며 아무도 플라스틱 집에 살고 싶어하지 않습니다. 또한 일반적으로 화석 연료로 정제됩니다.

일부 용도에서는 천연 목재가 금속 및 플라스틱과 경쟁할 수 있습니다. 대부분의 가족 주택은 목재 프레임 위에 지어졌습니다. 문제는 천연 목재가 너무 부드럽고 물에 너무 쉽게 손상되어 대부분의 경우 플라스틱과 금속을 대체할 수 없다는 것입니다. 최근 Matter 저널에 발표된 논문은 이러한 한계를 극복하는 강화된 목재 재료를 만드는 방법을 탐구합니다. 연구는 나무칼과 못을 만드는 것으로 정점에 이른다. 나무칼은 얼마나 좋은가요? 곧 사용하게 되시나요?

목재의 섬유질 구조는 대략 50%의 셀룰로오스로 구성되어 있으며, 이는 순수 형태에서 이론적으로 우수한 강도 특성을 갖는 천연 중합체입니다. 목재 구조의 나머지 절반은 대부분 리그닌과 헤미셀룰로오스입니다. 셀룰로오스는 나무의 자연적인 강도를 중추로 제공하는 길고 질긴 섬유를 형성하지만, 헤미셀룰로오스는 일관성 있는 구조가 거의 없으므로 목재의 강도에 기여하지 않습니다. 리그닌은 셀룰로오스 섬유 사이의 틈을 메우고 살아있는 목재에 유용한 작업을 수행합니다. 그러나 나무를 압축하고 셀룰로오스 섬유를 더욱 단단하게 묶으려는 인간의 목적에는 리그닌이 방해가 됩니다.

본 연구에서는 천연목재를 4단계에 걸쳐 경화목재(HW)로 제조한다. 먼저, 나무를 수산화나트륨과 황산나트륨에 끓여서 헤미셀룰로오스와 리그닌의 일부를 제거합니다. 이러한 화학적 처리 후에 나무를 프레스로 실온에서 몇 시간 동안 압착하여 나무를 더 조밀하게 만듭니다. 이는 목재의 자연적인 틈이나 기공을 줄이고 인접한 셀룰로오스 섬유 사이의 화학적 결합을 향상시킵니다. 다음으로, 목재를 105°C(221°F)에서 몇 시간 더 압축하여 치밀화를 마친 다음 건조시킵니다. 마지막으로 목재를 미네랄 오일에 48시간 동안 담가두어 완성품에 방수 기능을 부여합니다.

구조 재료의 기계적 특성 중 하나는 힘에 의해 눌려질 때 변형에 저항하는 능력을 나타내는 압입 경도입니다. 다이아몬드는 강철보다 단단하고, 금보다 단단하며, 목재보다 단단하고, 패킹폼보다 단단합니다. 보석학을 위한 모스 척도와 같이 경도를 결정하기 위한 다양한 엔지니어링 테스트 중에는 브리넬 테스트가 있습니다. 개념은 간단합니다. 단단한 금속 볼 베어링을 일정량의 힘으로 테스트 표면에 밀어넣는 것입니다. 볼에 의해 생성된 원형 압흔의 직경을 측정합니다. 브리넬 경도 수치는 수학 공식으로 계산됩니다. 대략적으로 말하면, 공이 만드는 구멍이 클수록 재료가 더 부드러워집니다. 이 테스트에서 HW는 천연 목재보다 23배 더 단단한 것으로 측정되었습니다.

대부분의 처리되지 않은 천연 목재는 물을 흡수합니다. 이는 목재를 팽창시키고 궁극적으로 구조적 특성을 파괴합니다. 저자는 HW의 내수성을 향상시키기 위해 이틀 간의 미네랄 담금을 사용하여 HW를 더욱 소수성("물에 대한 두려움")으로 만듭니다. 소수성에 대한 테스트는 표면에 물 한 방울을 떨어뜨리는 것입니다. 표면이 더 소수성일수록 물방울은 더 구형처럼 됩니다. 반면, 친수성("물을 좋아하는") 표면은 드롭아웃을 평평하게 퍼뜨립니다(그리고 결과적으로 물을 훨씬 더 쉽게 흡수합니다). 따라서 미네랄 흡수는 HW의 소수성을 극적으로 증가시킬 뿐만 아니라 목재가 물을 흡수하는 것을 방지합니다.