Le couteau en bois trempé est trois fois plus tranchant qu'un couteau de table

Le bois naturel et le métal ont servi de matériaux de construction humains essentiels pendant des millénaires. Les polymères synthétiques que nous appelons plastiques sont une invention récente, qui a explosé au XXe siècle.

Les métaux et les plastiques possèdent des propriétés excellentes pour les utilisations industrielles et commerciales. Les métaux sont solides, durs et généralement résistants à l'air, à l'eau, à la chaleur et aux contraintes soutenues. Mais, ils sont également plus gourmands en ressources (ce qui signifie plus chers) à produire et à affiner en produits. Les plastiques offrent une partie des capacités des métaux, tout en nécessitant moins de masse, et sont extrêmement bon marché à produire. Leurs propriétés peuvent être adaptées à presque toutes les utilisations. Cependant, les plastiques commerciaux bon marché font des matériaux de structure moche : les ustensiles en plastique ne sont pas bons, et personne ne veut vivre dans une maison en plastique. De plus, ils sont généralement raffinés à partir de combustibles fossiles.

Le bois naturel peut concurrencer le métal et le plastique dans certaines applications. La plupart des maisons familiales sont construites sur des ossatures en bois. Le problème est que le bois naturel est trop mou et trop facilement compromis par l'eau pour se substituer au plastique et au métal la plupart du temps. Un article récemment publié dans la revue Matter explore la création d'un matériau en bois durci qui surmonte ces limitations. La recherche aboutit à la création de couteaux et de clous en bois. Quelle est la qualité d'un couteau en bois et en utiliserez-vous un bientôt ?

La structure fibreuse du bois est composée d'environ 50 % de cellulose, un polymère naturel qui, sous forme nue, possède théoriquement de bonnes propriétés de résistance. La moitié restante de la structure du bois est principalement constituée de lignine et d'hémicellulose. Alors que la cellulose forme des fibres longues et résistantes qui donnent au bois l'épine dorsale de sa résistance naturelle, l'hémicellulose a une structure peu cohérente et ne contribue donc pas à la résistance du bois. La lignine remplit les espaces entre les fibres de cellulose et accomplit des tâches utiles pour le bois vivant. Mais pour les besoins humains de compactage du bois et de liaison plus étroite de ses fibres de cellulose, la lignine gêne.

Dans cette étude, le bois naturel est transformé en bois durci (HW) en quatre étapes. Tout d'abord, le bois est bouilli dans de l'hydroxyde de sodium et du sulfate de sodium pour éliminer une partie de l'hémicellulose et de la lignine. Après ce traitement chimique, le bois est rendu plus dense en le pressant dans une presse à température ambiante pendant plusieurs heures. Cela réduit les interstices naturels ou les pores du bois et améliore la liaison chimique entre les fibres de cellulose voisines. Ensuite, le bois est pressé encore plusieurs heures à 105°C (221°F) pour finir de se densifier puis de sécher. Enfin, le bois est immergé dans de l'huile minérale pendant 48 heures, conférant une résistance à l'eau au produit fini.

Une propriété mécanique d'un matériau structurel est la dureté d'indentation, une mesure de sa capacité à résister à la déformation lorsqu'il est pressé par une force. Le diamant est plus dur que l'acier, qui est plus dur que l'or, qui est plus dur que le bois, qui est plus dur que la mousse d'emballage. Parmi un certain nombre de tests d'ingénierie pour déterminer la dureté, tels que l'échelle de Mohs pour la gemmologie, se trouve le test de Brinell. Son concept est simple : un roulement à billes en métal dur est enfoncé dans la surface d'essai avec une certaine force. Le diamètre de l'indentation circulaire créée par la bille est mesuré. Le nombre de dureté Brinell est calculé avec une formule mathématique; grosso modo, plus le trou fait par la balle est grand, plus le matériau est mou. Le HW mesure 23 fois plus dur que le bois naturel dans ce test.

La plupart des bois naturels non traités absorbent l'eau. Cela dilate le bois et finit par détruire ses propriétés structurelles. Les auteurs utilisent le trempage minéral de deux jours pour améliorer la résistance à l'eau du HW, le rendant plus hydrophobe ("craignant l'eau"). Un test d'hydrophobicité consiste à déposer une goutte d'eau sur une surface. Plus la surface est hydrophobe, plus la goutte d'eau ressemblera à une sphère. D'autre part, une surface hydrophile ("qui aime l'eau") étalera la goutte à plat (et par la suite absorbera l'eau beaucoup plus facilement). Ainsi, le trempage minéral augmente non seulement considérablement l'hydrophobicité du HW, mais il empêche le bois d'absorber l'eau.

A quoi peut servir le bois durci ? Les auteurs créent deux objets HW : des couteaux et des clous.

Lors de certains tests d'ingénierie, les couteaux HW fonctionnent légèrement mieux que les couteaux en métal. Les auteurs affirment que le couteau HW est environ trois fois plus tranchant que les couteaux disponibles dans le commerce. Mais, il y a une mise en garde à ce résultat intéressant. Les chercheurs comparaient des couteaux de table, ou ce que l'on pourrait appeler des couteaux à beurre. Ceux-ci ne sont pas censés être particulièrement pointus. Les auteurs montrent une vidéo de leur couteau coupant un steak, mais un adulte raisonnablement fort pourrait probablement couper le même steak avec le côté terne d'une fourchette en métal, et un couteau à steak fonctionnerait beaucoup mieux.

Et l'ongle ? Un clou HW peut apparemment être martelé dans une pile de trois planches sans trop de problèmes, bien que la facilité relative par rapport à un clou en fer ne soit pas décrite avec soin. Le clou en bois peut alors maintenir les planches ensemble contre une force qui les déchire avec à peu près la même ténacité qu'un clou en fer. Cependant, lors de leurs tests, les planches échouent dans les deux cas avant que l'un ou l'autre des clous ne tombe en panne, de sorte que le clou le plus fort n'est pas révélé.

Le clou HW est-il meilleur à d'autres égards? Le clou en bois est plus léger, mais le poids d'une structure n'est pas déterminé principalement par la masse des clous qui la maintiennent ensemble. Le clou en bois sera insensible à la rouille. Cependant, il ne sera pas imperméable à l'absorption d'eau ou à la pourriture biologique.

Sans aucun doute, les auteurs ont développé un procédé pour créer du bois qui est sensiblement plus résistant que son homologue naturel. Cependant, l'utilité de HW pour un travail particulier nécessitera une étude plus approfondie. Peut-il être fabriqué à moindre coût et avec aussi peu de ressources que le plastique ? Peut-il rivaliser avec un objet métallique plus solide, plus esthétique et réutilisable à l'infini ? Leurs recherches soulèvent des questions intéressantes. L'ingénierie continue (et éventuellement le marché) y répondra.