천연 목재와 금속은 수천 년 동안 인간에게 필수적인 건축 자재였습니다. 우리가 플라스틱이라고 부르는 합성 폴리머는 20세기에 폭발적으로 증가한 최근의 발명품입니다.
금속과 플라스틱은 모두 산업 및 상업적 사용에 적합한 특성을 가지고 있습니다. 금속은 강하고 단단하며 일반적으로 공기, 물, 열 및 지속적인 응력에 대한 회복력이 있습니다. 그러나 제품을 생산하고 정제하는 데 더 많은 자원(즉, 더 비쌈)이 필요합니다. 플라스틱은 금속의 일부 기능을 제공하면서도 질량이 덜 필요하고 생산 비용이 매우 저렴합니다. 거의 모든 용도에 맞게 특성을 맞춤 설정할 수 있습니다. 그러나 값싼 상업용 플라스틱은 구조적 재료로서 끔찍합니다. 플라스틱 가전제품은 좋지 않으며 아무도 플라스틱 집에서 살고 싶어하지 않습니다. 게다가 화석 연료에서 정제되는 경우가 많습니다.
일부 응용 분야에서 천연 목재는 금속 및 플라스틱과 경쟁할 수 있습니다. 대부분의 주택은 목재 골조로 지어졌습니다. 문제는 천연 목재가 너무 부드럽고 물에 쉽게 손상되어 대부분의 경우 플라스틱과 금속을 대체할 수 없다는 것입니다. 최근 저널 Matter에 발표된 논문에서는 이러한 한계를 극복하는 강화 목재 소재의 생성에 대해 설명합니다. 이 연구는 나무 칼과 못의 생성으로 마무리되었습니다. 나무 칼은 얼마나 좋습니까? 곧 사용할 예정입니까?
목재의 섬유질 구조는 약 50%가 셀룰로오스로 이루어져 있습니다. 셀룰로오스는 이론적으로 강도가 좋은 천연 중합체입니다. 나머지 절반의 목재 구조는 주로 리그닌과 헤미셀룰로오스입니다. 셀룰로오스는 길고 질긴 섬유를 형성하여 목재의 자연적인 강도의 기반을 제공하는 반면, 헤미셀룰로오스는 일관된 구조가 거의 없어 목재의 강도에 아무런 기여를 하지 않습니다. 리그닌은 셀룰로오스 섬유 사이의 공간을 채우고 살아있는 목재에 유용한 역할을 합니다. 하지만 인간이 목재를 압축하고 셀룰로오스 섬유를 더욱 단단히 결합하려는 목적을 달성하려면 리그닌이 방해가 됩니다.
이 연구에서는 천연 목재를 4단계를 거쳐 경화 목재(HW)로 만들었습니다.먼저, 목재를 수산화나트륨과 황산나트륨에 끓여 헤미셀룰로오스와 리그닌 일부를 제거합니다.이러한 화학 처리 후, 목재를 실온에서 몇 시간 동안 프레스로 압착하여 밀도를 높입니다.이렇게 하면 목재의 자연적인 틈이나 기공이 줄어들고 인접한 셀룰로오스 섬유 간의 화학적 결합이 향상됩니다.다음으로, 목재를 105°C(221°F)에서 몇 시간 더 가압하여 밀도를 완전히 높인 다음 건조합니다.마지막으로, 목재를 미네랄 오일에 48시간 동안 담가 완제품을 방수 처리합니다.
구조적 재료의 기계적 특성 중 하나는 압입 경도로, 힘으로 압착했을 때 변형에 저항하는 능력을 측정하는 것입니다.다이아몬드는 강철보다 단단하고, 금보다 단단하고, 나무보다 단단하고, 패킹 폼보다 단단합니다.보석학에서 사용하는 모스 경도와 같이 경도를 결정하는 데 사용되는 많은 엔지니어링 테스트 중 하나가 브리넬 테스트입니다.개념은 간단합니다.단단한 금속 볼 베어링을 일정한 힘으로 테스트 표면에 눌렀습니다.볼에 의해 생성된 원형 압입의 직경을 측정합니다.브리넬 경도 값은 수학 공식을 사용하여 계산됩니다.대략적으로 말해서 볼이 부딪히는 구멍이 클수록 재료가 더 부드럽습니다.이 테스트에서 HW는 천연 목재보다 23배 더 단단합니다.
대부분의 미처리 천연 목재는 물을 흡수합니다.이로 인해 목재가 팽창하여 결국 구조적 특성이 파괴될 수 있습니다.저자는 HW의 내수성을 높이고 소수성("물을 두려워하는")을 높이기 위해 2일간의 미네랄 침지를 사용했습니다.소수성 테스트는 표면에 물방울을 떨어뜨리는 것을 포함합니다.표면의 소수성이 클수록 물방울이 더 구형이 됩니다.반면에 친수성("물을 좋아하는") 표면은 물방울을 평평하게 펼칩니다(따라서 물을 더 쉽게 흡수합니다).따라서 미네랄 침지는 HW의 소수성을 크게 높일 뿐만 아니라 목재가 습기를 흡수하는 것을 방지합니다.
일부 공학적 테스트에서 HW 나이프는 금속 나이프보다 약간 더 나은 성능을 보였습니다. 저자들은 HW 나이프가 시중에서 판매되는 나이프보다 약 3배 더 날카롭다고 주장합니다. 그러나 이 흥미로운 결과에는 단서가 있습니다. 연구자들은 테이블 나이프, 즉 버터 나이프라고 불리는 것을 비교하고 있습니다. 이 나이프는 특별히 날카롭도록 만들어지지 않았습니다. 저자들은 나이프로 스테이크를 자르는 영상을 보여주지만, 어느 정도 힘이 센 성인이라면 금속 포크의 둔한 면으로도 같은 스테이크를 자를 수 있을 것이고, 스테이크 나이프가 훨씬 더 잘 작동할 것입니다.
못은 어떨까요?단일 HW 못은 세 개의 판자를 쌓아서 쉽게 박을 수 있는 것으로 보이지만, 철 못에 비하면 상대적으로 쉽지만 그만큼 정교하지는 않습니다.그런 다음 나무 못이 판자를 함께 고정하여 찢을 수 있는 힘에 저항할 수 있으며, 철 못과 거의 같은 강도를 가지고 있습니다.그러나 실험 결과 두 경우 모두 판자가 못 중 어느 하나보다 먼저 파손되었기 때문에 더 강한 못은 노출되지 않았습니다.
HW 못이 다른 면에서도 더 나을까요?나무 못은 더 가볍지만, 구조물의 무게는 주로 구조물을 고정하는 못의 질량에 의해 결정되지 않습니다.나무 못은 녹슬지 않습니다.하지만 물에 강하거나 생분해되지는 않습니다.
저자가 천연 목재보다 목재를 더 강하게 만드는 공정을 개발했다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 특정 작업에 하드웨어를 활용하는 데는 추가적인 연구가 필요합니다. 플라스틱처럼 저렴하고 자원이 적게 소모될 수 있을까요? 더 강하고, 더 매력적이며, 무한히 재사용 가능한 금속 물체와 경쟁할 수 있을까요? 그들의 연구는 흥미로운 질문을 제기합니다. 지속적인 엔지니어링(그리고 궁극적으로는 시장)이 이 질문에 대한 답을 제시할 것입니다.
게시 시간: 2022년 4월 13일
