A faca de madeira endurecida é três vezes mais afiada do que a faca de mesa

Madeira natural e metal serviram como materiais de construção humanos essenciais por milênios. Os polímeros sintéticos que chamamos de plásticos são uma invenção recente, que explodiu no século XX.

Tanto os metais quanto os plásticos possuem propriedades excelentes para uso industrial e comercial. Os metais são fortes, duros e geralmente resistentes ao ar, água, calor e estresse contínuo. Mas, eles também consomem mais recursos (o que significa mais caro) para produzir e refinar em produtos. Os plásticos oferecem algumas das capacidades dos metais, exigindo menos massa e são extremamente baratos de produzir. Suas propriedades podem ser adaptadas para praticamente qualquer uso. No entanto, plásticos comerciais baratos são péssimos materiais estruturais: utensílios de plástico não são bons e ninguém quer morar em uma casa de plástico. Além disso, eles geralmente são refinados a partir de combustíveis fósseis.

A madeira natural pode competir com metal e plástico em algumas aplicações. A maioria das casas familiares são construídas em estruturas de madeira. O problema é que a madeira natural é muito macia e facilmente comprometida pela água para substituir o plástico e o metal na maior parte do tempo. Um artigo publicado recentemente na revista Matter explora a criação de um material de madeira endurecida que supera essas limitações. A pesquisa culmina na criação de facas e pregos de madeira. Quão boa é uma faca de madeira e você usará uma em breve?

A estrutura fibrosa da madeira é composta por cerca de 50% de celulose, um polímero natural que teoricamente possui boas propriedades de resistência. A metade restante da estrutura da madeira é principalmente lignina e hemicelulose. Enquanto a celulose forma fibras longas e duras que dão à madeira a espinha dorsal de sua resistência natural, a hemicelulose tem uma estrutura pouco coerente e, portanto, não contribui para a resistência da madeira. A lignina preenche as lacunas entre as fibras de celulose e realiza tarefas úteis para a madeira viva. Mas para os propósitos humanos de compactar a madeira e unir mais firmemente suas fibras de celulose, a lignina atrapalha.

Neste estudo, a madeira natural é transformada em madeira endurecida (HW) em quatro etapas. Primeiro, a madeira é fervida em hidróxido de sódio e sulfato de sódio para retirar alguma fração da hemicelulose e lignina. Após este tratamento químico, a madeira torna-se mais densa, espremida numa prensa à temperatura ambiente durante várias horas. Isso reduz as lacunas naturais ou poros na madeira e aumenta a ligação química entre as fibras de celulose vizinhas. Em seguida, a madeira é prensada por mais algumas horas a 105° C (221° F) para terminar de densificar e depois secar. Por fim, a madeira é submersa em óleo mineral por 48 horas, conferindo resistência à água ao produto acabado.

Uma propriedade mecânica de um material estrutural é a dureza de indentação, uma medida de sua capacidade de resistir à deformação quando pressionado por uma força. O diamante é mais duro que o aço, que é mais duro que o ouro, que é mais duro que a madeira, que é mais duro que a espuma de embalagem. Entre vários testes de engenharia para determinar a dureza, como a escala de Mohs para gemologia, está o teste Brinell. Seu conceito é simples: um rolamento de esferas de metal duro é pressionado na superfície de teste com uma certa quantidade de força. O diâmetro do entalhe circular criado pela bola é medido. O número de dureza Brinell é calculado com uma fórmula matemática; grosso modo, quanto maior o buraco que a bola faz, mais macio é o material. O HW mede 23 vezes mais duro que a madeira natural neste teste.

A maioria das madeiras naturais não tratadas absorve água. Isso expande a madeira e, finalmente, destrói suas propriedades estruturais. Os autores usam a imersão mineral de dois dias para melhorar a resistência à água do HW, tornando-o mais hidrofóbico ("medo de água"). Um teste de hidrofobicidade é colocar uma gota de água em uma superfície. Quanto mais hidrofóbica a superfície, mais esférica a gota de água se tornará. Por outro lado, uma superfície hidrofílica ("amante da água") espalhará a gota plana (e subsequentemente absorverá a água com muito mais facilidade). Assim, a imersão mineral não apenas aumenta drasticamente a hidrofobicidade do HW, mas também evita que a madeira absorva água.