Messer aus gehärtetem Holz sind dreimal schärfer als Tafelmesser

Natürliches Holz und Metall dienten über Jahrtausende hinweg als wesentliche Baumaterialien des Menschen. Die synthetischen Polymere, die wir Kunststoffe nennen, sind eine neue Erfindung, die im 20. Jahrhundert einen wahren Boom erlebte.

Sowohl Metalle als auch Kunststoffe besitzen Eigenschaften, die sich hervorragend für industrielle und gewerbliche Zwecke eignen. Metalle sind stark, hart und im Allgemeinen widerstandsfähig gegen Luft, Wasser, Hitze und anhaltende Belastungen. Allerdings sind sie auch ressourcenintensiver (und damit teurer) in der Herstellung und Veredelung zu Produkten. Kunststoffe bieten einige der Leistungsfähigkeiten von Metallen, erfordern jedoch weniger Masse und sind äußerst kostengünstig in der Herstellung. Ihre Eigenschaften können für nahezu jeden Einsatzzweck maßgeschneidert werden. Billige handelsübliche Kunststoffe ergeben jedoch schlechte Baumaterialien: Plastikutensilien sind nicht gut und niemand möchte in einem Plastikhaus leben. Darüber hinaus werden sie im Allgemeinen aus fossilen Brennstoffen raffiniert.

Naturholz kann in manchen Anwendungen mit Metall und Kunststoff konkurrieren. Die meisten Einfamilienhäuser sind auf Holzrahmen gebaut. Das Problem besteht darin, dass Naturholz zu weich und zu leicht durch Wasser angreifbar ist, um Kunststoff und Metall in den meisten Fällen zu ersetzen. Ein kürzlich in der Zeitschrift Matter veröffentlichter Artikel untersucht die Entwicklung eines gehärteten Holzmaterials, das diese Einschränkungen überwindet. Die Forschung gipfelt in der Herstellung von Holzmessern und -nägeln. Wie gut ist ein Holzmesser und werden Sie bald eines verwenden?

Die Faserstruktur von Holz besteht zu etwa 50 Prozent aus Zellulose, einem natürlichen Polymer, das in reiner Form theoretisch über gute Festigkeitseigenschaften verfügt. Die verbleibende Hälfte der Holzstruktur besteht hauptsächlich aus Lignin und Hemizellulose. Während die Zellulose lange, zähe Fasern bildet, die dem Holz das Rückgrat seiner natürlichen Festigkeit verleihen, weist Hemizellulose eine geringe zusammenhängende Struktur auf und trägt daher nicht zur Festigkeit des Holzes bei. Lignin füllt Lücken zwischen Zellulosefasern und erfüllt nützliche Aufgaben für lebendes Holz. Aber für den menschlichen Zweck, Holz zu verdichten und seine Zellulosefasern fester miteinander zu verbinden, steht Lignin im Weg.

In dieser Studie wird Naturholz in vier Schritten zu gehärtetem Holz (HW) verarbeitet. Zunächst wird das Holz in Natriumhydroxid und Natriumsulfat gekocht, um einen Teil der Hemizellulose und des Lignins zu entfernen. Nach dieser chemischen Behandlung wird das Holz durch mehrstündiges Pressen in einer Presse bei Raumtemperatur verdichtet. Dadurch werden natürliche Lücken oder Poren im Holz reduziert und die chemische Bindung zwischen benachbarten Zellulosefasern verbessert. Anschließend wird das Holz mehrere Stunden lang bei 105 °C (221 °F) gepresst, um es vollständig zu verdichten und anschließend auszutrocknen. Abschließend wird das Holz 48 Stunden lang in Mineralöl getaucht, wodurch das Endprodukt wasserbeständig wird.

Eine mechanische Eigenschaft eines Strukturmaterials ist die Eindruckhärte, ein Maß für seine Fähigkeit, einer Verformung zu widerstehen, wenn auf es eine Kraft einwirkt. Diamant ist härter als Stahl, der härter ist als Gold, der härter ist als Holz, der härter ist als Schaumstoff. Zu einer Reihe technischer Tests zur Bestimmung der Härte, beispielsweise der Mohs-Skala für die Gemmologie, gehört der Brinell-Test. Das Prinzip ist einfach: Ein Hartmetall-Kugellager wird mit einer bestimmten Kraft in die Prüffläche gedrückt. Der Durchmesser der durch die Kugel erzeugten kreisförmigen Vertiefung wird gemessen. Die Brinell-Härtezahl wird mit einer mathematischen Formel berechnet; Grob gesagt gilt: Je größer das Loch, das die Kugel macht, desto weicher ist das Material. Das HW ist in diesem Test 23-mal härter als Naturholz.

Die meisten unbehandelten Naturhölzer nehmen Wasser auf. Dadurch dehnt sich das Holz aus und zerstört letztendlich seine strukturellen Eigenschaften. Die Autoren nutzen das zweitägige Mineralbad, um die Wasserbeständigkeit des HW zu verbessern und es hydrophober zu machen („wasserabweisend“). Ein Test zur Hydrophobie besteht darin, einen Wassertropfen auf eine Oberfläche zu geben. Je hydrophober die Oberfläche, desto kugelförmiger wird der Wassertropfen. Andererseits verteilt eine hydrophile („wasserliebende“) Oberfläche den Tropfen flach (und nimmt das Wasser anschließend viel leichter auf). Das Mineralbad erhöht also nicht nur die Hydrophobie des HW erheblich, es verhindert auch, dass das Holz Wasser aufnimmt.

Wofür kann gehärtetes Holz verwendet werden? Die Autoren erstellen zwei HW-Objekte: Messer und Nägel.

Bei einigen technischen Tests schneiden die HW-Messer etwas besser ab als Metallmesser. Die Autoren behaupten, dass das HW-Messer etwa dreimal schärfer sei als handelsübliche Messer. Dieses interessante Ergebnis hat jedoch einen Vorbehalt. Die Forscher verglichen Tafelmesser, oder was wir Buttermesser nennen könnten. Diese sollen nicht besonders scharf sein. Die Autoren zeigen ein Video, in dem ihr Messer ein Steak schneidet, aber ein einigermaßen kräftiger Erwachsener könnte wahrscheinlich dasselbe Steak mit der stumpfen Seite einer Metallgabel schneiden, und ein Steakmesser würde weitaus besser funktionieren.

Wie wäre es mit dem Nagel? Ein HW-Nagel lässt sich offenbar problemlos in einen Stapel von drei Brettern einschlagen, obwohl die relative Leichtigkeit im Vergleich zu einem Eisennagel nicht genau beschrieben wird. Der Holznagel kann dann die Bretter gegen eine Kraft zusammenhalten, die sie auseinanderreißt, und zwar mit ungefähr der gleichen Zähigkeit wie ein Eisennagel. In ihren Tests versagen die Bretter jedoch in beiden Fällen, bevor einer der Nägel versagt, sodass der stärkere Nagel nicht sichtbar ist.

Ist der HW-Nagel in anderer Hinsicht besser? Der Holznagel ist leichter, aber das Gewicht einer Struktur wird nicht in erster Linie von der Masse der Nägel bestimmt, die sie zusammenhalten. Der Holznagel ist unempfindlich gegen Rost. Es ist jedoch nicht immun gegen Wasseraufnahme oder biologische Fäulnis.

Zweifellos haben die Autoren ein Verfahren entwickelt, um Holz herzustellen, das wesentlich stärker ist als sein natürliches Gegenstück. Der Nutzen von HW für einen bestimmten Job muss jedoch noch weiter untersucht werden. Kann es so günstig und mit so wenig Ressourcen hergestellt werden wie Kunststoff? Kann es mit einem stärkeren, attraktiveren und unendlich wiederverwendbaren Metallgegenstand konkurrieren? Ihre Forschung wirft interessante Fragen auf. Kontinuierliche Entwicklung (und letztendlich auch der Markt) werden diese Fragen beantworten.