Kayu dan logam alami telah menjadi bahan bangunan penting bagi manusia selama ribuan tahun. Polimer sintetis yang kita sebut plastik adalah penemuan baru yang berkembang pesat pada abad ke-20.
Baik logam maupun plastik memiliki sifat yang sangat cocok untuk penggunaan industri dan komersial. Logam kuat, kaku, dan umumnya tahan terhadap udara, air, panas, dan tekanan konstan. Namun, logam juga membutuhkan lebih banyak sumber daya (yang berarti lebih mahal) untuk diproduksi dan dimurnikan. Plastik menyediakan beberapa fungsi logam sambil membutuhkan massa yang lebih sedikit dan sangat murah untuk diproduksi. Sifat-sifatnya dapat disesuaikan untuk hampir semua penggunaan. Namun, plastik komersial yang murah bukanlah bahan struktural yang baik: peralatan rumah tangga dari plastik bukanlah hal yang baik, dan tidak ada yang ingin tinggal di rumah plastik. Selain itu, plastik sering kali dimurnikan dari bahan bakar fosil.
Dalam beberapa aplikasi, kayu alami dapat bersaing dengan logam dan plastik. Sebagian besar rumah keluarga dibangun dengan rangka kayu. Masalahnya adalah kayu alami terlalu lunak dan terlalu mudah rusak oleh air untuk menggantikan plastik dan logam dalam sebagian besar kasus. Sebuah makalah terbaru yang diterbitkan dalam jurnal Matter mengeksplorasi pembuatan material kayu yang diperkeras yang mengatasi keterbatasan ini. Penelitian ini berpuncak pada pembuatan pisau dan paku kayu. Seberapa bagus pisau kayu ini dan apakah Anda akan menggunakannya dalam waktu dekat?
Struktur berserat kayu terdiri dari sekitar 50% selulosa, polimer alami dengan sifat kekuatan yang secara teoritis baik. Setengah bagian struktur kayu lainnya sebagian besar terdiri dari lignin dan hemiselulosa. Sementara selulosa membentuk serat panjang dan kuat yang memberikan kayu tulang punggung kekuatan alaminya, hemiselulosa memiliki sedikit struktur yang koheren dan karenanya tidak berkontribusi pada kekuatan kayu. Lignin mengisi rongga di antara serat selulosa dan melakukan tugas-tugas yang bermanfaat bagi kayu hidup. Tetapi untuk tujuan manusia dalam memadatkan kayu dan mengikat serat selulosanya lebih erat, lignin menjadi penghalang.
Dalam penelitian ini, kayu alami diolah menjadi kayu keras (HW) dalam empat langkah. Pertama, kayu direbus dalam natrium hidroksida dan natrium sulfat untuk menghilangkan sebagian hemiselulosa dan lignin. Setelah perlakuan kimia ini, kayu menjadi lebih padat dengan cara ditekan dalam mesin pres selama beberapa jam pada suhu ruangan. Hal ini mengurangi celah atau pori-pori alami pada kayu dan meningkatkan ikatan kimia antara serat selulosa yang berdekatan. Selanjutnya, kayu diberi tekanan pada suhu 105°C (221°F) selama beberapa jam lagi untuk menyelesaikan pemadatan, lalu dikeringkan. Terakhir, kayu direndam dalam minyak mineral selama 48 jam untuk membuat produk jadi tahan air.
Salah satu sifat mekanis material struktural adalah kekerasan indentasi, yang merupakan ukuran kemampuannya untuk menahan deformasi ketika ditekan dengan gaya. Berlian lebih keras daripada baja, lebih keras daripada emas, lebih keras daripada kayu, dan lebih keras daripada busa kemasan. Di antara banyak uji teknik yang digunakan untuk menentukan kekerasan, seperti kekerasan Mohs yang digunakan dalam gemologi, uji Brinell adalah salah satunya. Konsepnya sederhana: bantalan bola logam keras ditekan ke permukaan uji dengan gaya tertentu. Ukur diameter lekukan melingkar yang dibuat oleh bola. Nilai kekerasan Brinell dihitung menggunakan rumus matematika; secara kasar, semakin besar lubang yang dipukul bola, semakin lunak material tersebut. Dalam uji ini, HW 23 kali lebih keras daripada kayu alami.
Sebagian besar kayu alami yang tidak diolah akan menyerap air. Hal ini dapat menyebabkan kayu mengembang dan akhirnya merusak sifat strukturalnya. Para penulis menggunakan perendaman mineral selama dua hari untuk meningkatkan ketahanan air pada kayu keras, membuatnya lebih hidrofobik ("takut air"). Uji hidrofobisitas melibatkan penempatan setetes air pada permukaan. Semakin hidrofobik permukaannya, semakin bulat tetesan air tersebut. Sebaliknya, permukaan hidrofilik ("menyukai air") akan menyebarkan tetesan air secara merata (dan selanjutnya menyerap air lebih mudah). Oleh karena itu, perendaman mineral tidak hanya secara signifikan meningkatkan hidrofobisitas kayu keras, tetapi juga mencegah kayu menyerap kelembapan.
Dalam beberapa uji teknik, pisau HW menunjukkan kinerja sedikit lebih baik daripada pisau logam. Para penulis mengklaim bahwa pisau HW sekitar tiga kali lebih tajam daripada pisau yang tersedia secara komersial. Namun, ada catatan penting terkait hasil yang menarik ini. Para peneliti membandingkan pisau meja, atau yang mungkin kita sebut pisau mentega. Pisau ini memang tidak dirancang untuk sangat tajam. Para penulis menunjukkan video pisau mereka memotong steak, tetapi orang dewasa yang cukup kuat mungkin dapat memotong steak yang sama dengan sisi tumpul garpu logam, dan pisau steak akan bekerja jauh lebih baik.
Bagaimana dengan paku? Sebuah paku HW tunggal tampaknya dapat dengan mudah dipaku ke tumpukan tiga papan, meskipun tidak sedetail paku besi karena relatif mudah. Pasak kayu kemudian dapat menahan papan-papan tersebut agar tetap menyatu, menahan gaya yang akan merobeknya, dengan kekuatan yang hampir sama dengan pasak besi. Namun, dalam pengujian mereka, papan-papan tersebut dalam kedua kasus tersebut rusak sebelum salah satu paku rusak, sehingga paku yang lebih kuat tidak terungkap.
Apakah paku HW lebih baik dalam hal lain? Pasak kayu lebih ringan, tetapi berat struktur tidak terutama ditentukan oleh massa pasak yang menyatukannya. Pasak kayu tidak akan berkarat. Namun, pasak kayu tidak akan kedap air atau terurai secara alami.
Tidak diragukan lagi bahwa penulis telah mengembangkan proses untuk membuat kayu lebih kuat daripada kayu alami. Namun, kegunaan perangkat keras untuk pekerjaan tertentu memerlukan studi lebih lanjut. Bisakah perangkat keras tersebut semurah dan sehemat plastik? Bisakah perangkat keras tersebut bersaing dengan benda-benda logam yang lebih kuat, lebih menarik, dan dapat digunakan kembali tanpa batas? Penelitian mereka menimbulkan pertanyaan-pertanyaan menarik. Rekayasa yang berkelanjutan (dan pada akhirnya pasar) akan menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut.
Waktu posting: 13 April 2022
