Mbao na chuma asilia vimekuwa vifaa muhimu vya ujenzi kwa wanadamu kwa maelfu ya miaka. Polima za sintetiki tunazoziita plastiki ni uvumbuzi wa hivi karibuni uliolipuka katika karne ya 20.
Vyuma na plastiki vyote vina sifa zinazofaa kwa matumizi ya viwanda na biashara. Vyuma ni vikali, vigumu, na kwa ujumla hustahimili hewa, maji, joto, na mkazo wa kila mara. Hata hivyo, pia vinahitaji rasilimali zaidi (ambayo ina maana ghali zaidi) ili kutengeneza na kuboresha bidhaa zao. Plastiki hutoa baadhi ya kazi za chuma huku ikihitaji uzito mdogo na ni nafuu sana kutengeneza. Sifa zao zinaweza kubinafsishwa kwa karibu matumizi yoyote. Hata hivyo, plastiki za bei nafuu za kibiashara hutengeneza vifaa vya kimuundo vibaya: vifaa vya plastiki si kitu kizuri, na hakuna mtu anayetaka kuishi katika nyumba ya plastiki. Zaidi ya hayo, mara nyingi husafishwa kutokana na mafuta ya visukuku.
Katika baadhi ya matumizi, mbao za asili zinaweza kushindana na metali na plastiki. Nyumba nyingi za familia hujengwa kwa fremu za mbao. Tatizo ni kwamba mbao za asili ni laini sana na huharibika kwa urahisi na maji kuchukua nafasi ya plastiki na chuma mara nyingi. Karatasi ya hivi karibuni iliyochapishwa katika jarida la Matter inachunguza uundaji wa nyenzo ngumu ya mbao inayoshinda mapungufu haya. Utafiti huu ulifikia kilele katika uundaji wa visu na misumari ya mbao. Kisu cha mbao kina ubora gani na utakitumia wakati wowote hivi karibuni?
Muundo wa nyuzinyuzi wa mbao una takriban selulosi 50%, polima asilia yenye sifa nzuri za nguvu kinadharia. Nusu iliyobaki ya muundo wa mbao ni hasa lignin na hemicellulose. Ingawa selulosi huunda nyuzi ndefu na ngumu zinazoipa mbao uti wa mgongo wa nguvu zake za asili, hemicellulose ina muundo mdogo sana na hivyo haichangii chochote kwa nguvu ya mbao. Lignin hujaza nafasi kati ya nyuzinyuzi za selulosi na hufanya kazi muhimu kwa mbao hai. Lakini kwa madhumuni ya binadamu ya kuganda mbao na kuunganisha nyuzi zake za selulosi kwa ukaribu zaidi, lignin ikawa kikwazo.
Katika utafiti huu, mbao asilia zilitengenezwa kuwa mbao ngumu (HW) katika hatua nne. Kwanza, mbao huchemshwa katika hidroksidi ya sodiamu na salfeti ya sodiamu ili kuondoa baadhi ya hemicellulose na lignin. Baada ya matibabu haya ya kemikali, mbao huwa nzito kwa kuibonyeza kwa saa kadhaa kwenye joto la kawaida. Hii hupunguza mapengo au vinyweleo vya asili kwenye mbao na huongeza muunganisho wa kemikali kati ya nyuzi za selulosi zilizo karibu. Kisha, mbao hushinikizwa kwa 105° C (221° F) kwa saa chache zaidi ili kukamilisha msongamano, na kisha kukaushwa. Hatimaye, mbao huzamishwa kwenye mafuta ya madini kwa saa 48 ili kufanya bidhaa iliyokamilishwa isiweze kuzuia maji.
Sifa moja ya kiufundi ya nyenzo ya kimuundo ni ugumu wa kuingilia, ambayo ni kipimo cha uwezo wake wa kupinga ubadilikaji inapobanwa kwa nguvu. Almasi ni ngumu kuliko chuma, ngumu kuliko dhahabu, ngumu kuliko mbao, na ngumu kuliko povu ya kufunga. Miongoni mwa majaribio mengi ya uhandisi yanayotumika kubaini ugumu, kama vile ugumu wa Mohs unaotumika katika gemolojia, jaribio la Brinell ni mojawapo. Dhana yake ni rahisi: fani ya mpira wa chuma ngumu hubanwa kwenye uso wa jaribio kwa nguvu fulani. Pima kipenyo cha fani ya mviringo iliyoundwa na mpira. Thamani ya ugumu wa Brinell huhesabiwa kwa kutumia fomula ya hisabati; kwa ufupi, kadiri shimo mpira unavyopiga, ndivyo nyenzo inavyokuwa laini zaidi. Katika jaribio hili, HW ni ngumu mara 23 kuliko mbao asilia.
Mbao nyingi za asili ambazo hazijatibiwa hunyonya maji. Hii inaweza kupanua mbao na hatimaye kuharibu sifa zake za kimuundo. Waandishi walitumia kuloweka madini kwa siku mbili ili kuongeza upinzani wa maji wa HW, na kuifanya iwe na hofu zaidi ya maji ("kuogopa maji"). Jaribio la kutoogopa maji linahusisha kuweka tone la maji kwenye uso. Kadiri uso unavyokuwa na hofu zaidi ya maji, ndivyo matone ya maji yanavyokuwa ya duara zaidi. Uso unaopenda maji ("kupenda maji"), kwa upande mwingine, hueneza matone tambarare (na baadaye hunyonya maji kwa urahisi zaidi). Kwa hivyo, kuloweka madini sio tu kwamba huongeza kwa kiasi kikubwa kutoogopa maji kwa HW, lakini pia huzuia kuni kunyonya unyevu.
Katika baadhi ya majaribio ya uhandisi, visu vya HW vilifanya kazi vizuri kidogo kuliko visu vya chuma. Waandishi wanadai kwamba kisu cha HW kina makali mara tatu zaidi ya kisu kinachopatikana kibiashara. Hata hivyo, kuna tahadhari kwa matokeo haya ya kuvutia. Watafiti wanalinganisha visu vya mezani, au kile tunachoweza kukiita visu vya siagi. Hivi havikusudiwi kuwa vikali sana. Waandishi wanaonyesha video ya kisu chao kikikata nyama ya ng'ombe, lakini mtu mzima mwenye nguvu kiasi anaweza kukata nyama ya ng'ombe sawa na upande usio na rangi wa uma wa chuma, na kisu cha nyama ya ng'ombe kingefanya kazi vizuri zaidi.
Vipi kuhusu misumari? Msumari mmoja wa HW unaweza kupigwa kwa urahisi kwenye rundo la mbao tatu, ingawa si wa kina kama ilivyo rahisi ikilinganishwa na misumari ya chuma. Vigingi vya mbao vinaweza kushikilia mbao pamoja, vikipinga nguvu ambayo ingevipasua, vikiwa na uthabiti sawa na vigingi vya chuma. Hata hivyo, katika majaribio yao, mbao katika visa vyote viwili zilishindwa kabla ya misumari yoyote kushindwa, kwa hivyo misumari yenye nguvu zaidi haikuonekana.
Je, kucha za HW ni bora zaidi kwa njia zingine? Vigingi vya mbao ni vyepesi zaidi, lakini uzito wa muundo hauchochewi hasa na uzito wa vigingi vinavyoushikilia pamoja. Vigingi vya mbao havitatua. Hata hivyo, havitaathiriwa na maji au kuoza kwa mimea.
Hakuna shaka kwamba mwandishi ameunda mchakato wa kufanya mbao kuwa na nguvu kuliko mbao asilia. Hata hivyo, matumizi ya vifaa kwa kazi yoyote maalum yanahitaji utafiti zaidi. Je, inaweza kuwa nafuu na isiyo na rasilimali kama plastiki? Je, inaweza kushindana na vitu vya chuma vyenye nguvu zaidi, vya kuvutia zaidi, na vinavyoweza kutumika tena bila kikomo? Utafiti wao unaibua maswali ya kuvutia. Uhandisi unaoendelea (na hatimaye soko) utayajibu.
Muda wa chapisho: Aprili-13-2022
