VNR Content
Pearl
Theo tạp chí Matter, các nhà nghiên cứu tại Đại học Maryland (UMD) đã tìm ra một phương pháp đơn giản, giá cả phải chăng để tạo ra vật liệu từ gỗ, nhưng lại cứng hơn 23 lần so với gỗ thông thường. Họ đã kiểm tra độ cứng của các mẫu gỗ bằng cách tạo ra một con dao và vài cây đinh, nhận thấy hiệu suất của dao và đinh gỗ cứng đều ngang ngửa, thậm trí vượt trội hơn vật liệu thép.
Các nhà nghiên cứu còn thử cắt miếng bít tết vừa chín tới bằng dao gỗ cứng. Kết quả cho thấy dao đủ sắc bén để cắt bít tết nhưng vẫn an toàn để rửa bằng tay và máy rửa bát.
Chiếc dao làm từ gỗ cứng hơn thép, cắt bít tết dễ như cắt bơ
Tại sao phải tạo ra dao bằng gỗ khi chúng ta đã có dao kéo bằng thép không gỉ, chưa kể đến đồ dùng bằng nhựa dùng một lần?
Nguyên nhân là bởi những vật liệu như thép hay nhựa đều gây hại cho môi trường.
Mỗi năm, có tới gần 40 tỷ đồ dùng bằng nhựa được sử dụng , nhưng hiếm khi được tái chế vì chúng quá nhỏ và nhẹ. Hơn nữa, theo nghiên cứu, phải mất 450 năm để nhựa phân hủy. Thép và các vật liệu cứng không thể tái chế khác - ví dụ như hợp kim niken và titan, hay nitrit và kim cương rất tốn kém để sản xuất vì chúng đòi hỏi các điều kiện khắt khe (nhiệt và áp suất cực cao), sử dụng nhiều năng lượng.
Do vậy, cộng đồng khoa học vật liệu luôn chú trọng trong việc tìm ra các giải pháp thay thế rẻ hơn và an toàn hơn với môi trường. Các nhà khoa học vật liệu tại UMD đã bắt tay vào nghiên cứu gỗ vì cho rằng đây sẽ là vật liệu thay thế tiềm năng cho nhựa, bê tông và thép.
Quy trình chế biến gỗ thông thường thành gỗ cứng
Theo ông Teng Li, tác giả chính của nghiên cứu: “Xenlulo, thành phần chính của gỗ, có tỷ lệ độ bền trên mật độ (strength-to-density ratio) cao hơn so với hầu hết các vật liệu được chế tạo như gốm sứ, kim loại và polyme, nhưng cách sử dụng hiện nay chưa khai thác được hết tiềm năng của gỗ. Nguyên nhân là do gỗ không bền bằng xenlulo nguyên chất. Xenluloza chỉ chiếm khoảng 40-50% gỗ; phần còn lại là hemicellulose và lignin (một loại chất liên kết) ".
Vì vậy, ông Li và các cộng sự đã đưa ra một phương pháp sản xuất vật liệu với giá cả phải chăng hơn, đó là tạo ra gỗ cứng bằng cách loại bỏ lignin bên trong gỗ thường. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu cắt gỗ đoạn (basswood) thành các khối với kích cỡ cho trước, sau đó ngâm trong dung dịch gốc nước (hỗn hợp của natri hydroxit và natri sulfit) để lấp đầy các lỗ rỗng, khiến các khối gỗ chìm xuống đáy của vật chứa.
Dung dịch chứa gỗ sẽ được chia làm 3 phần, mỗi phần đun sôi lần lượt trong 2, 4 và 6 giờ ở 100 độ C. Sau đó các khối gỗ sẽ được lấy ra khỏi dung dịch và rửa bằng nước khử ion để loại bỏ hóa chất còn sót lại. Toàn bộ quá trình không đòi hỏi quá nhiều nhiệt độ như nhiều loại vật liệu khác, chẳng hạn như gốm sứ - vật liệu phải được làm nóng đến vài nghìn độ C.
Dao gỗ cứng có thể cắt được thịt nhưng tính sát thương không cao
Sau khi loại bỏ hầu hết lignin, gỗ trở nên mềm và xốp. Nhóm nghiên cứu sẽ nén mẫu gỗ này trong 6 giờ, sử dụng máy ép nóng ở nhiệt độ phòng và áp suất 20 MPa, phủ khăn giấy để thấm nước rỉ ra ngoài. Sau đó, họ làm khô các mẫu bằng cách nung chúng đến 105 độ C. Ở công đoạn cuối cùng, gỗ sẽ được ngâm trong dầu thực phẩm trong 48 giờ để bề mặt gỗ có khả năng chịu nước. Điều này giúp dao giữ được độ sắc bén cần thiết nhưng vẫn không gây nguy hiểm khi rửa bằng tay hoặc bằng máy rửa bát.
Sau khi tiến hành một loạt các thử nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng những lô gỗ được ngâm hóa chất trong vòng 4 giờ bền hơn so với những lô được ngâm trong 2 hoặc 6 giờ. Họ cũng quan sát những mẫu gỗ dưới kính hiển vi và nhận thấy các lỗ rỗng hoặc rãnh (được sử dụng để vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng khác trong cây) giảm đi đáng kể. Việc giảm thiểu các khiếm khuyết đó là bí quyết cho sức mạnh của gỗ cứng.
Ông Li và các cộng sự đã làm ra hai con dao và vài cây đinh từ gỗ cứng và sử dụng chúng để kiểm tra tính năng cơ học của vật liệu. Trong đó, một con dao có đường vân gỗ chạy song song với lưỡi dao, con còn lại có vân vuông góc với lưỡi dao. Hình ảnh quét trên kính hiển vi điện tử cho thấy cả hai lưỡi đều sắc hơn nhiều so với dao ăn bằng thép và dao bằng gỗ thường, đồng thời có độ sắc tương đương với dao nhựa.
Đinh bằng gỗ cứng có thể đóng xuyên 3 tấm ván
Những chiếc đinh gỗ cứng cũng cho thấy sự rắn chắc như đinh thép, hơn nữa chúng còn có khả năng chống gỉ. Theo các tác giả, rỉ sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc đối với đinh thép. Nhóm nghiên cứu đã có thể đóng ba tấm ván lại với nhau mà không làm hỏng đinh gỗ cứng. Theo ông Li, ngoài việc có thể sử dụng làm đồ gia dụng, gỗ cứng cũng là vật liệu lý tưởng để lát sàn nhờ khả năng chống trầy xước và hao mòn cực cao.
Các tác giả kết luận: “Nguyên liệu chính để sản xuất gỗ cứng (gỗ đoạn, natri hydroxit và natri sunfat) đều là hàng hóa thương mại với nguồn cung dồi dào và giá thành thấp. Trong khi đó, chi phí sản xuất gỗ cứng có thể giảm hơn nữa bằng cách tái chế và tái sử dụng các hóa chất và tối ưu hóa quy trình ép gỗ để giảm tiêu thụ năng lượng."
Theo Arstechnica
Các nhà nghiên cứu còn thử cắt miếng bít tết vừa chín tới bằng dao gỗ cứng. Kết quả cho thấy dao đủ sắc bén để cắt bít tết nhưng vẫn an toàn để rửa bằng tay và máy rửa bát.
Chiếc dao làm từ gỗ cứng hơn thép, cắt bít tết dễ như cắt bơ
Tại sao phải tạo ra dao bằng gỗ khi chúng ta đã có dao kéo bằng thép không gỉ, chưa kể đến đồ dùng bằng nhựa dùng một lần?
Nguyên nhân là bởi những vật liệu như thép hay nhựa đều gây hại cho môi trường.
Mỗi năm, có tới gần 40 tỷ đồ dùng bằng nhựa được sử dụng , nhưng hiếm khi được tái chế vì chúng quá nhỏ và nhẹ. Hơn nữa, theo nghiên cứu, phải mất 450 năm để nhựa phân hủy. Thép và các vật liệu cứng không thể tái chế khác - ví dụ như hợp kim niken và titan, hay nitrit và kim cương rất tốn kém để sản xuất vì chúng đòi hỏi các điều kiện khắt khe (nhiệt và áp suất cực cao), sử dụng nhiều năng lượng.
Do vậy, cộng đồng khoa học vật liệu luôn chú trọng trong việc tìm ra các giải pháp thay thế rẻ hơn và an toàn hơn với môi trường. Các nhà khoa học vật liệu tại UMD đã bắt tay vào nghiên cứu gỗ vì cho rằng đây sẽ là vật liệu thay thế tiềm năng cho nhựa, bê tông và thép.
Theo ông Teng Li, tác giả chính của nghiên cứu: “Xenlulo, thành phần chính của gỗ, có tỷ lệ độ bền trên mật độ (strength-to-density ratio) cao hơn so với hầu hết các vật liệu được chế tạo như gốm sứ, kim loại và polyme, nhưng cách sử dụng hiện nay chưa khai thác được hết tiềm năng của gỗ. Nguyên nhân là do gỗ không bền bằng xenlulo nguyên chất. Xenluloza chỉ chiếm khoảng 40-50% gỗ; phần còn lại là hemicellulose và lignin (một loại chất liên kết) ".
Vì vậy, ông Li và các cộng sự đã đưa ra một phương pháp sản xuất vật liệu với giá cả phải chăng hơn, đó là tạo ra gỗ cứng bằng cách loại bỏ lignin bên trong gỗ thường. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu cắt gỗ đoạn (basswood) thành các khối với kích cỡ cho trước, sau đó ngâm trong dung dịch gốc nước (hỗn hợp của natri hydroxit và natri sulfit) để lấp đầy các lỗ rỗng, khiến các khối gỗ chìm xuống đáy của vật chứa.
Dung dịch chứa gỗ sẽ được chia làm 3 phần, mỗi phần đun sôi lần lượt trong 2, 4 và 6 giờ ở 100 độ C. Sau đó các khối gỗ sẽ được lấy ra khỏi dung dịch và rửa bằng nước khử ion để loại bỏ hóa chất còn sót lại. Toàn bộ quá trình không đòi hỏi quá nhiều nhiệt độ như nhiều loại vật liệu khác, chẳng hạn như gốm sứ - vật liệu phải được làm nóng đến vài nghìn độ C.
Sau khi loại bỏ hầu hết lignin, gỗ trở nên mềm và xốp. Nhóm nghiên cứu sẽ nén mẫu gỗ này trong 6 giờ, sử dụng máy ép nóng ở nhiệt độ phòng và áp suất 20 MPa, phủ khăn giấy để thấm nước rỉ ra ngoài. Sau đó, họ làm khô các mẫu bằng cách nung chúng đến 105 độ C. Ở công đoạn cuối cùng, gỗ sẽ được ngâm trong dầu thực phẩm trong 48 giờ để bề mặt gỗ có khả năng chịu nước. Điều này giúp dao giữ được độ sắc bén cần thiết nhưng vẫn không gây nguy hiểm khi rửa bằng tay hoặc bằng máy rửa bát.
Sau khi tiến hành một loạt các thử nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng những lô gỗ được ngâm hóa chất trong vòng 4 giờ bền hơn so với những lô được ngâm trong 2 hoặc 6 giờ. Họ cũng quan sát những mẫu gỗ dưới kính hiển vi và nhận thấy các lỗ rỗng hoặc rãnh (được sử dụng để vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng khác trong cây) giảm đi đáng kể. Việc giảm thiểu các khiếm khuyết đó là bí quyết cho sức mạnh của gỗ cứng.
Ông Li và các cộng sự đã làm ra hai con dao và vài cây đinh từ gỗ cứng và sử dụng chúng để kiểm tra tính năng cơ học của vật liệu. Trong đó, một con dao có đường vân gỗ chạy song song với lưỡi dao, con còn lại có vân vuông góc với lưỡi dao. Hình ảnh quét trên kính hiển vi điện tử cho thấy cả hai lưỡi đều sắc hơn nhiều so với dao ăn bằng thép và dao bằng gỗ thường, đồng thời có độ sắc tương đương với dao nhựa.
Những chiếc đinh gỗ cứng cũng cho thấy sự rắn chắc như đinh thép, hơn nữa chúng còn có khả năng chống gỉ. Theo các tác giả, rỉ sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc đối với đinh thép. Nhóm nghiên cứu đã có thể đóng ba tấm ván lại với nhau mà không làm hỏng đinh gỗ cứng. Theo ông Li, ngoài việc có thể sử dụng làm đồ gia dụng, gỗ cứng cũng là vật liệu lý tưởng để lát sàn nhờ khả năng chống trầy xước và hao mòn cực cao.
Các tác giả kết luận: “Nguyên liệu chính để sản xuất gỗ cứng (gỗ đoạn, natri hydroxit và natri sunfat) đều là hàng hóa thương mại với nguồn cung dồi dào và giá thành thấp. Trong khi đó, chi phí sản xuất gỗ cứng có thể giảm hơn nữa bằng cách tái chế và tái sử dụng các hóa chất và tối ưu hóa quy trình ép gỗ để giảm tiêu thụ năng lượng."
Theo Arstechnica
