User Rating: 0 / 5

Star InactiveStar InactiveStar InactiveStar InactiveStar Inactive
 

แปลและเรียบเรียง โดย มาริสา คุณธนวงศ์

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

 
กระบวนการอัดไม้ชนิดใหม่บีบช่องว่างระหว่างผนังเซลล์ในไม้ธรรมชาติ สังเกตได้จากโครงสร้างรูพรุนที่เห็นในภาพจาก
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (scanning electron microscopy, SEM)
จนได้ไม้ที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นและมีความแข็งแรงเทียบเท่าเหล็กกล้า

 

วิศวกรจากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ คอลเลจพาร์ก (University of Maryland, College Park, UMD) ค้นพบวิธีที่ทำให้ไม้เหนียวและแข็งแรงมากกว่าเดิมถึงสิบเท่า แข็งแรงกว่าไทเทเนียมอัลลอยหลายชนิด งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 8 กุมภาพันธ์ ที่ผ่านมา 

โดยทั่วไปแล้ว วัสดุโครงสร้าง (structural materials) ที่สังเคราะห์ขึ้นเพื่อให้มีสมบัติทางกลพิเศษนั้นมักมีน้ำหนักมาก และมีผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมที่ไม่พึงประสงค์ (ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าและอัลลอย) หรือมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและต้นทุนที่สูง (ตัวอย่างเช่น คอมพอสิทที่มีพอลิเมอร์เป็นส่วนประกอบหลัก และคอมพอสิทที่เลียนแบบชีวภาพ)

ส่วนไม้ธรรมชาติ แม้จะเป็นวัสดุที่มีต้นทุนต่ำ หาได้ง่าย มีการนำมาใช้เป็นวัสดุโครงสร้างเพื่อก่อสร้างและทำเฟอร์นิเจอร์มาแล้วนับพันปี แต่สมบัติทางกลของไม้ธรรมชาติซึ่งหมายถึงความแข็งแรงและความเหนียวของมันนั้นยังไม่เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้งานและโครงสร้างต่างๆทางวิศวกรรมขั้นสูง  

ปัจจุบันมีการปรับปรุงสมบัติทางกลของไม้ธรรมชาติให้ดีขึ้นด้วยวิธีการต่างๆ อาทิเช่น การอบด้วยไอน้ำ ความร้อน แอมโมเนีย หรือการรีดเย็นก่อนแล้วตามด้วยการทำให้หนาแน่น เป็นต้น แต่อย่างไรก็ตาม วิธีการที่มีอยู่นี้เป็นกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นที่ยังไม่สมบูรณ์และยังขาดเสถียรภาพเชิงมิติ โดยเฉพาะการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมที่ชื้น ไม้ที่ผ่านกระบวนการเหล่านี้จะเกิดการขยายตัวและทำให้โครงสร้างอ่อนแอ หรือหมายถึงความแข็งแรงทางโครงสร้างของไม้ลดลงไปนั่นเอง

ดังนั้น ทีมวิศวกรคิดค้นกลยุทธ์ที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการแปลงไม้ธรรมชาติจำนวนมากให้กลายเป็นวัสดุโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูง วัสดุที่ได้จะมีความแข็งแรงทนทานมากขึ้นกว่าสิบเท่า ทนต่อกระสุนปืน (ballistic resistance) และมีเสถียรภาพทางมิติมากขึ้นด้วย

 

กลยุทธ์ดังกล่าวมีสองขั้นตอน เริ่มจากขั้นตอนการกำจัดลิกนินและเฮมิเซลลูโลสบางส่วนออกจากไม้ธรรมชาติ โดยต้มไม้ในน้ำเดือดที่มีส่วนผสมของ NaOH และ Na2SO3 จากนั้นตามด้วยขั้นตอนการอัดแบบร้อน (hot-pressing) ด้วยแผ่นโลหะที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ความดัน 5 เมกะปาสคาล ขั้นตอนนี้ช่วยให้ผนังเซลล์ทั้งหมดยุบตัวลงและมีเส้นใยนาโนเซลลูโลสจำนวนมากเรียงตัวกันทำให้ความหนาแน่นของไม้ธรรมชาติมีความสมบูรณ์มากขึ้น ไม้ที่ได้จากกระบวนการนี้มีความหนาลดลงเหลือเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ และมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นถึงสามเท่าตัว มันจึงมีความแข็งแรงจำเพาะที่สูงกว่าโลหะและอัลลอยซึ่งเป็นวัสดุโครงสร้างที่มักนิยมใช้กันมากที่สุด ทั้งยังมีน้ำหนักที่เบามาก ทนต่อการยืดหรือการดึงได้ถึง 11.5เท่าเมื่อเทียบกับวัสดุธรรมชาติโดยที่ไม่เกิดการแตกหัก

นอกจากนี้แล้ว ทีมยังทดสอบการยิงกระสุนจากปืนลมที่มีความเร็วกระสุนอยู่ที่ 30 เมตรต่อวินาทีไปยังแผ่นไม้กระดานทั่วไปเทียบกับแผ่นไม้แบบใหม่ที่มีความหนาแน่นสูง โดยกำหนดให้แผ่นไม้ทั้งสองชนิดมีความหนาเท่ากัน ผลทดสอบพบว่าลูกกระสุนสามารถพุ่งทะลุผ่านแผ่นไม้กระดานทั่วไปได้อย่างง่ายดาย แต่การทดสอบบนแผ่นไม้หนาแน่นพิเศษนั้นกลับพบว่าลูกกระสุนฝังตัวอยู่ในชั้นของแผ่นไม้ไม่สามารถทะลุผ่านแผ่นไม้ชนิดนี้ไปได้

ทิ้งท้าย

หนึ่งในทีมอ้างว่า กระบวนการดังกล่าวที่ทีมคิดค้นนี้สามารถนำไปใช้กับไม้ธรรมชาติได้หลายชนิด และไม่ก่อให้เกิดมลพิษที่น่ากังวล รวมถึงสมบัติทางกลที่ดีขึ้นของไม้ชนิดใหม่นี้ทำให้มันเป็นวัสดุทางเลือกที่เป็นมิตรสำหรับงานก่อสร้างอาคารหรือสะพาน โดยใช้มันแทนเหล็กกล้าหรืออัลลอย นอกจากนี้ยังนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ หรือรถไฟเพื่อให้มีน้ำหนักเบาและลดการใช้เชื้อเพลิงได้อีกด้วย

สนใจอ่านเพิ่มเติมได้ที่

1.       https://www.sciencenews.org/article/superdense-wood-lightweight-strong-steel

2.      https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180207151829.htm

งานวิจัยฉบับเต็ม

1.       Jianwei Song, Chaoji Chen, Shuze Zhu, Mingwei Zhu, Jiaqi Dai, Upamanyu Ray, Yiju Li, Yudi Kuang, Yongfeng Li, Nelson Quispe, Yonggang Yao, Amy Gong, Ulrich H. Leiste, Hugh A. Bruck, J. Y. Zhu, Azhar Vellore, Heng Li, Marilyn L. Minus, Zheng Jia, Ashlie Martini, Teng Li, Liangbing Hu. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature, 2018; 554 (7691): 224 DOI: 10.1038/nature25476