Ученые разработали способ делать закаленные деревянные ножи и гвозди

Самые острые ножи изготавливаются из стали или керамики, являющиеся искусственными материалами, которые необходимо выковывать в печах при экстремальных температурах. Теперь исследователи разработали потенциально более экологичный способ изготовления острых ножей: использовать закаленную древесину. Метод, представленный в журнале Matter, делает дерево в 23 раза тверже, а нож, сделанный из этого материала, почти в три раза острее, чем обеденный стол из нержавеющей стали.

«Нож легко прорезает стейк средней степени прожарки, он сравним по характеристикам с обычным столовым ножом», — говорит Тэн Ли, старший автор исследования и ученый-материаловед из Университета Мэриленда. После этого нож из закаленной древесины можно мыть и использовать повторно, что делает его многообещающей альтернативой стальным, керамическим и одноразовым пластиковым ножам.

Тэн Ли и его команда также продемонстрировали, что из их материала можно производить деревянные гвозди, такие же острые и прочные, как и обычные стальные гвозди. В отличие от стальных гвоздей, разработанные командой деревянные гвозди устойчивы к коррозии. Исследователи показали, что с помощью этих деревянных гвоздей можно сколотить три доски, не повредив гвоздь. Помимо ножей и гвоздей, в будущем из этого материала можно будет сделать паркетные полы, более устойчивые к царапинам и износу.

Хотя метод для производства закаленной древесины является новым, обработка древесины в целом существует уже много веков. Однако, когда древесина подготавливается для изготовления мебели или строительных материалов, она обрабатывается только паром и сжатием, и материал несколько деформируется после формования. «Когда вы смотрите вокруг на твердые материалы, которые вы используете в своей повседневной жизни, вы видите, что многие из них являются искусственными материалами, потому что натуральные материалы не обязательно удовлетворят то, что вам нужно», — говорит Тэн Ли.

«Целлюлоза, основной компонент древесины, имеет более высокое отношение прочности к плотности, чем большинство материалов, таких как керамика, металлы и полимеры, но наше нынешнее использование древесины едва ли полностью раскрывает ее потенциал», — говорит он. Несмотря на то, что его часто используют в строительстве, прочность дерева уступает прочности целлюлозы. Это связано с тем, что древесина состоит только из 40-50% целлюлозы, а остальная часть состоит из гемицеллюлозы и лигнина, который действует как связующее.

Ученые стремились обработать древесину таким образом, чтобы удалить более слабые компоненты, не разрушая при этом целлюлозный каркас. «Это двухэтапный процесс», — говорит Тэн Ли. «На первом этапе мы частично делигнифицируем древесину. Как правило, древесина очень жесткая, но после удаления лигнина она становится мягкой, гибкой и несколько хрупкой. На втором этапе мы выполняем горячее прессование, прикладывая давление и нагрев химически обработанной древесины для уплотнения и удаления воды».

Используя микроскопию высокого разрешения, ученые исследовали микроструктуру затвердевшей древесины, чтобы определить источник ее прочности. «Прочность куска материала очень чувствительна к размеру и плотности дефектов, таких как пустоты, каналы или полости», — говорит Тэн Ли. «Двухэтапный процесс, который мы используем для обработки натуральной древесины, значительно уменьшает или устраняет дефекты натуральной древесины, поэтому эти каналы для транспортировки воды или других питательных веществ в дереве почти исчезли».

Этот процесс закалки древесины может быть более энергоэффективным и иметь меньшее воздействие на окружающую среду, чем при производстве других искусственных материалов, хотя для уверенности необходим более глубокий анализ. Первый шаг требует кипячения древесины при 100 ° C в ванне с химикатами, которые потенциально могут быть повторно использованы от партии к партии. Для сравнения, процесс изготовления керамики требует нагрева материалов до нескольких тысяч градусов Цельсия.

Исследование было опубликовано в журнале Matter.