| Přispěvatelé: |
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience, Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Materiaalitutkimuksen ja nanotieteiden tohtoriohjelma, Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Doktorandprogrammet i materialforskning och nanovetenskap, Lichtenegger, Helga, Svedström, Kirsi, Huotari, Simo |
| Popis: |
Trees have generated unique solutions to adapt to their environments and to ensure their growth. Reaction wood (RW) tissues, formed in the stems and branches in trees, are responsible for the required movements to adjust to the changes in e.g., gravitation and lighting conditions. Cellulose, the most abundant polymer on Earth, makes up roughly half of the content of a tree. The cellulose microfibrils, embedded in a lignin-hemicellulose matrix in the cell walls, are the origin of the extraordinary mechanical properties and outstanding strength of wood. The cellular structures of tissues and the chemical and physical properties of the cellulose microfibrils vary within the tree, e.g., cellulose microfibril orientation and chemical compositions are in general vastly different in RW compared to normal wood (NW). To map the structures of such a hierarchical material as wood, X-ray-based techniques provide non-destructive ways to characterise the structural details from atomistic scales up to micrometre levels. In this thesis, the hierarchical structure of RW and crystalline properties and orientation of cellulose microfibrils in plant cell walls were studied using various X-ray methods. Wide-angle X-ray scattering measurements were done to study RW containing stems of young hybrid aspen saplings and recent and ancient bast fibres of flax, hemp and nettle. The xylem samples of various tropical and temperate hardwood species were measured with Wide- and Small-angle X-ray scattering. Synchrotron Scanning X-ray nanodiffraction measurements were conducted on RW phloem fibres of birch saplings. The average crystallite width of the cellulose microfibrils in the RW samples was observed to be larger than in NW. Additionally, calcium oxalate crystallites and their deposits were observed with the used X-ray techniques in all the studied sample groups, young saplings, bast fibres and tropical wood samples, and the dimensions of these deposits were determined using microtomography and scanning diffraction imaging. Puut ovat kehittäneet ainutlaatuisia strategioita kasvunsa varmistamiseksi ja sopeutuakseen vallitseviin elinympäristöihinsä. Tuottamalla reaktiopuusolukkoa runkoon ja oksistoon, puut kykenevät suuntaamaan kasvuaan sopeutuakseen muutoksiin kasvuympäristössään. Tällaisia muutoksia voivat olla esimerkiksi valoisuusolosuhteiden muutokset tai kallistuma puun asennossa. Selluloosa, maailman yleisin polymeeri, muodostaa noin puolet puuaineksen massasta. Puusolukossa selluloosaketjut yhdistyvät osittain kiteisiksi kokonaisuuksiksi, selluloosamikrofibrilleiksi, jotka yhdessä hemiselluloosien ja ligniinin kanssa muodostavat puun tukisolukon soluseinille tyypillisen komposiittirakenteen. Juuri selluloosamikrofibrillien ominaisuudet ja soluseinien komposiittirakenne selittävät puuaineksen erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Solurakenteet ja selluloosamikrofibrillien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat eri puusolukkojen välillä; esimerkiksi reaktiopuun selluloosamikrofibrillien ominaisuudet eroavat usein suuresti ns. tavallisen puun selluloosamikrofibrillien ominaisuuksista. Näiden ominaisuuksien tutkimiseksi hierarkkisissa materiaaleissa, kuten juuri puussa, röntgensäteilyyn perustuvat menetelmät tarjoavat ainutlaatuisen tavan karakterisoida eri rakenteita atomitasolta mikrometritasolle asti näytteitä vahingoittamatta. Tässä väitöstyössä tutkittiin reaktiopuun hierarkkista rakennetta ja selluloosamikrofibrillien ominaisuuksia lukuisten eri kasvilajien soluseinissä erilaisten röntgenmenetelmien avulla. Laajakulmasirontaa käytettiin selluloosamikrofibrillien nanometritason ominaisuuksien tutkimiseksi haavan taimien reaktiopuusolukossa ja historiallisissa, kasveista erotelluissa niinikuiduissa. Laajakulmasironnan lisäksi haavan taimien puusolukon rakenteita kuvannettiin mikrometritasolla röntgenmikrotomografialla. Pien- ja laajakulmasirontaa sovellettiin eri trooppisten puulajien mikrofibrillitutkimuksessa. Skannaavan röntgendiffraktion avulla tutkittiin solurakenteita ja selluloosamikrofibrillien ominaisuuksia koivun taimien reaktiopuun nilakuiduissa. Selluloosamikrofibrillien nanotason kiteisyysominaisuuksissa ja orientaatiossa havaittiin selkeitä eroja reaktiopuusolukon ja tavallisen puusolukon välillä. Kaikissa puuta käsittelevissä osatutkimuksissa reaktiopuusolukossa selluloosamikrofibrillien kidekoon ja orientaatioasteen havaittiin olevan suurempi verrattuna tavallisen puusolukon mikrofibrilleihin. Lisäksi kaikissa tutkituissa kasvinäytteissä havaittiin kalsiumoksalaattikiteisiin viittavia rakenteita, joiden kokoja määritettiin skannaavan röntgendiffraktion ja röntgenmikrotomografian avulla. |
