Les couteaux les plus tranchants disponibles sont en acier ou en céramique, deux matériaux synthétiques qui doivent être forgés dans des fours à des températures extrêmes. Aujourd’hui, les chercheurs ont développé un moyen potentiellement plus durable de fabriquer des couteaux tranchants : l’utilisation de bois durci. La méthode, présentée le 20 octobree, 2021, dans la revue Question, rend le bois 23 fois plus dur, et un couteau fabriqué à partir de ce matériau est près de trois fois plus tranchant qu’un couteau de table en acier inoxydable.
“Le couteau coupe facilement un steak moyennement bien cuit, avec des performances similaires à celles d’un couteau de table”, explique Teng Li, auteur principal de l’étude et scientifique des matériaux à l’Université du Maryland. Par la suite, le couteau en bois durci peut être lavé et réutilisé, ce qui en fait une alternative prometteuse aux couteaux en acier, en céramique et en plastique jetables.
Li et son équipe ont également démontré que leur matériau peut être utilisé pour produire des clous en bois aussi tranchants que les clous en acier conventionnels. Contrairement aux clous en acier, les clous en bois que l’équipe a développés sont résistants à la rouille. Les chercheurs ont montré que ces clous en bois pouvaient être utilisés pour marteler trois planches sans endommager le clou. En plus des couteaux et des clous, Li espère qu’à l’avenir, le matériau pourra également être utilisé pour fabriquer des parquets en bois dur plus résistants aux rayures et à l’usure.
Bien que la méthode de Li pour produire du bois durci soit nouvelle, la transformation du bois en général existe depuis des siècles. Cependant, lorsque le bois est préparé pour des meubles ou des matériaux de construction, il n’est traité qu’avec de la vapeur et de la compression, et le matériau rebondit quelque peu après le façonnage. « Quand vous regardez autour de vous les matériaux durs que vous utilisez dans votre vie quotidienne, vous voyez que beaucoup d’entre eux sont des matériaux synthétiques parce que les matériaux naturels ne satisferont pas nécessairement ce dont nous avons besoin », explique Li.
«La cellulose, le principal composant du bois, a un rapport résistance/densité plus élevé que la plupart des matériaux d’ingénierie, comme la céramique, les métaux et les polymères, mais notre utilisation actuelle du bois atteint à peine son plein potentiel», dit-il. Même s’il est souvent utilisé dans la construction, la résistance du bois est inférieure à celle de la cellulose. En effet, le bois n’est composé que de 40 à 50 % de cellulose, le reste étant constitué d’hémicellulose et de lignine, qui agit comme un liant.
Li et son équipe ont cherché à traiter le bois de manière à éliminer les composants les plus faibles sans détruire le squelette cellulosique. « C’est un processus en deux étapes, dit Li. « Dans un premier temps, nous délignifions partiellement le bois. En règle générale, le bois est très rigide, mais après élimination de la lignine, il devient mou, flexible et quelque peu spongieux. Dans la deuxième étape, nous réalisons une presse à chaud en appliquant de la pression et de la chaleur sur le bois traité chimiquement pour densifier et éliminer l’eau.
Une fois le matériau traité et sculpté dans la forme souhaitée, il est enduit d’huile minérale pour prolonger sa durée de vie. La cellulose a tendance à absorber l’eau, ce revêtement préserve donc le tranchant du couteau lors de son utilisation et lors de son lavage dans l’évier ou le lave-vaisselle.
En utilisant la microscopie à haute résolution, Li et son équipe ont examiné la microstructure du bois durci pour déterminer l’origine de sa résistance. « La résistance d’un morceau de matériau est très sensible à la taille et à la densité des défauts, comme les vides, les canaux ou les piqûres », explique Li. “Le processus en deux étapes que nous utilisons pour traiter le bois naturel réduit ou supprime considérablement les défauts du bois naturel, de sorte que ces canaux pour transporter l’eau ou d’autres nutriments dans l’arbre ont presque disparu.”
Ce processus de durcissement du bois a le potentiel d’être plus économe en énergie et d’avoir un impact environnemental plus faible que pour la fabrication d’autres matériaux synthétiques, bien qu’une analyse plus approfondie soit nécessaire pour le dire. La première étape consiste à faire bouillir le bois à 100° Celsius dans un bain de produits chimiques, potentiellement réutilisables de lot en lot. A titre de comparaison, le procédé de fabrication de la céramique nécessite de chauffer des matériaux jusqu’à quelques milliers de degrés Celsius.
« Dans notre cuisine, nous avons de nombreuses pièces de bois que nous utilisons depuis très longtemps, comme une planche à découper, des baguettes ou un rouleau à pâtisserie », explique Li. “Ces couteaux, aussi, peuvent être utilisés plusieurs fois si vous les refaites surface, les affûtez et effectuez le même entretien régulier.”
Référence : « Hardened wood as a renouvelable alternative to steel and plastic » par Bo Chen, Ulrich H. Leiste, William L. Fourney, Yu Liu, Qiongyu Chen et Teng Li, 20 octobre 2021, Question.
DOI : 10.1016/j.matt.2021.09.020
Ce travail a été soutenu par Advanced Research Projects Agency – Energy.