Новый подход к дендрохронологии и мультимасштабным исследованиям закономерностей формирования физико-механических свойств древесины на уровне от нано- до макро-, осуществляемый методами наноиндентирования и непрерывного цифрового скретчинга

Исследование выполняется при поддержке Российского научного фонда

(грант № 23-16-00231, https://rscf.ru/project/23-16-00231/).

Дендрохронология использует различные геометрические и физико-химические характеристики хронологической последовательности годовых колец роста деревьев для датировки старинных деревянных построек, судов, художественных произведений, предметов быта etc. Со временем дендрохронология породила ряд субдисциплин - дендроклиматология, дендроэкология, дендрогеоморфология, дендроархеология, имеющих целью ретроспективную реконструкцию климатических, экологических, геоморфологических условий и исторических событий на много сотен, а иногда и тысяч лет назад.

Иллюстрация из статьи Multiscale mechanical performance of wood: from nano-to macro-scale across structure hierarchy and size effects // Nanomaterials, 2022 (Golovin Y.I., Gusev A.A., Golovin D.Y., Vasyukova I.A., Matveev S.M.)

Наибольшее распространение в анализе годовых колец получили оптические методы (ОМ), дополненные программами анализа изображения. Первичная информация в ОМ основана на различии цветовых и отражательных характеристик слоев ранней и поздней древесины (EW и LW соответственно), создаваемых каждый год в ксилеме. Ширина годичных колец, а также слоев EW и LW свидетельствуют о климатических, экологических и геофизических условиях роста и весьма косвенно – о качестве древесины. Эти геометрические данные служат основным источником информации в задачах дендрохронологии и сопутствующих дисциплин.

Меньшее распространение получили более сложные и дорогостоящие рентгеновские способы анализа анатомии, клеточной микроструктуры и плотности древесины. С их помощью реализуют прямые измерения локальной плотности и 3D томографию.

Еще более редки анализ стабильных изотопов углерода и кислорода, радиоактивный углеродный анализ и другие методы.

При всем разнообразии и развитости оптических и рентгеновских методов с их помощью извлекают анатомические, морфологические или геометрические характеристики объекта изучения, такие как толщина годовых колец роста, доля EW и LW в них, отношение толщины клеточной стенки к ее диаметру, индексы вариации этих параметров от кольца к кольцу, профили локальной плотности, которые не связаны прямо с механическими свойствами.

Данные обстоятельства стимулируют поиск более информативных подходов и техники анализа годовых колец, исключающих недостатки оптических и рентгеновских методов. В этой связи перспективными представляются современные подходы и мультимасштабные методы нано-/микромеханического тестинга материалов, развитые в последние годы в физическом материаловедении, в первую очередь – наноиндентирование (НИ) и микроскретчинг (МС). Они позволяют определять механические свойства на различных масштабно-структурных уровнях не косвенно, а прямо - по результатам прямых измерений. Такой подход даст возможность расширить круг задач, которые можно поставить перед исследованиями древесины.

Методы НИ позволяют достигать пространственного разрешения намного выше, чем оптические, рентгеновские и изотопные и получать комплекс количественных механических характеристик материала. Однако методы НИ весьма трудозатратны, требуют дорогостоящего оборудования и тщательной подготовки поверхности к испытаниям. В проекте впервые предложен и описан высокопроизводительный многофункциональный МС метод и соответствующее оригинальное оборудование, позволяющие определять не только ширину слоев EW, LW и годовых колец в тестируемой древесине, но и количественно характеризовать локальные механические свойства внутри колец с микрометровым разрешением. Кроме того, метод не требует тщательной подготовки поверхности. Новизна предлагаемых подходов состоит в комплексном, мультимасштабном характере испытаний, в организации определенных физико-механических условий эксперимента, в алгоритмах извлечения желаемых физико-механических характеристик из первичных данных. В отношении использования микромеханических характеристик древесины в интересах дендрохронологии и дендроклиматологии, предлагаемые концепция и методы, носят революционный характер. 

 

Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, представлены на всероссийских и международных конференциях:

1. XIII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова (ФППК-2024). 28 октября – 1 ноября 2024 г., г. Черноголовка, Россия

Доклад: Тюрин А.И., Самодуров А.А., Коренков В.В., Тюрин В.А., Юнак М.А. «Исследование размерных эффектов в твёрдости и картирование физико-механических высокоупорядоченных природных свойств полимерных материалов на примере древесины сосны и дуба» (устное выступление)

2. XIII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова (ФППК-2024). 28 октября – 1 ноября 2024 г., г. Черноголовка, Россия

Доклад: Тюрин А.И., Коренков В.В., Юнак М.А., Васюкова И.А., Шамаев В.А. «Динамический механический анализ вязкоупругих свойств высокоупорядоченных природных полимерных материалов на примере древесины хвойных и лиственных пород» (устное выступление)

3. LXVIII Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности». 27-31 мая 2024 г., г. Витебск, Беларусь

Доклад: Тюрин А.И., Коренков В.В., Самодуров А.А., Тюрин В.А., Юнак М.А. «Исследование вязкоупругих свойств и пластичности ранней и поздней древесины сосны и ели методом непрерывного измерения жесткости при наноиндентировании» (стендовый доклад)

4. XXIV Петербургские чтения по проблемам прочности и III молодежная школа-семинар «Механика, химия и новые материалы». 23-25 апреля 2024 г., г. Санкт-Петербург, Россия

Доклад: Тюрин А.И., Самодуров А.А., Шамаев В.А., Коренков В.В., Тюрин В.А., Юнак М.А. «Исследование структуры и картирование физико-механических свойств годовых колец древесины лиственных и хвойных пород методами наноиндентирования и скретч-теста» (стендовый доклад)

5. Международный лесной форум «Адаптация лесного хозяйства к изменению климата: природоориентированные решения и цифровизация. Forestry – 2024». 24-25 октября 2024 г., г. Воронеж, Россия

Доклад: Shamaev V., Medvedev I., Russu A., Tyurin A., Samodurov A., Yunak M., Storodubtseva T., Ziemelis A., Garkusha O. «Achievements and challenges of modified wood on the example of birch veneer» (устное выступление)

 

Патенты, полученные в ходе выполнения проекта:

1. Патент на полезную модель № 223678. Скретч-тестер для древесины / Самодуров А.А., Тюрин А.И., Бойцов Э.А. Зарегистрировано в государственном реестре изобретений РФ 28.02.2024. (Заявка № 2023131745 от 04.12.2023 г.)

2. Заявка № 2024135330 от 26.11.2024 г. на патент на полезную модель «Скретч-тестер для исследования годичных колец древесины». Авторы: Самодуров А.А., Бойцов Э.А., Тюрин А.И. (находится на рассмотрении)

 

Публикации по результатам работы по проекту в 2023-2024 годах:

1. Golovin Yu.I., Samodurov A.A., Gusev A.A., Tyurin A.A., Golovin D.Yu., Vasyukova I.A., Yunak M.A. Nanomechanical/Micromechanical Approach to the Problems of Dendrochronology and Dendroclimatology // Nanobiotechnology Reports. 2023, V. 18 (3), pp. 429-442, https://doi.org/10.1134/S2635167623700301 (Scopus, Web of Science, RSSI, РИНЦ, Белый список)

2. Тюрин А.И., Самодуров А.А., Головин Д.Ю., Юнак М.А., Коренков В.В., Баранчиков П.А., Тюрин В.А., Куркина Н.М. Исследование структуры и механических свойств годичных колец древесины дуба черешчатого (Quercus robur) методами наноиндентирования и скретч-теста // Лесотехнический журнал. 2023. т. 13. № 4 (52). С. 40-57. https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.4/2 (РИНЦ)

3. Tyurin A.I., Korenkov V.V., Gusev A.А., Vasyukova I.А., Yunak M.А. Comparison of viscoelastic properties and plasticity of early and late wood of pine and spruce by continuous stiffness measurement during nanoindentation» // Nanobiotechnology Reports. 2024. V. 19 (1), pp. 116–124. https://doi.org/10.1134/S2635167624600433 (Scopus, Web of Science, RSSI, РИНЦ, Белый список)

4. Тюрин А.И., Самодуров А.А., Тюрин В.А., Головин Д.Ю., Юнак М.А., Шамаев В.А., Руссу А.В. Исследование физико-механических свойств древесины лиственницы сибирской от нано- до макроуровня методами наноиндентирования и скретч-теста с возможным использованием данных для дендрохронологии // Российские нанотехнологии, 2024. Т. 19 (6). С. 1-12. https://doi.org/10.56304/S1992722324602581 [Tyurin А.I., Samodurov A.A., Tyurin V. A., Golovin D.Yu., Yunak М.А., Shamaev V.A., Russu A.V. Research of physical and mechanical properties of siberian larch wood from nano- to macro level using nanoindentation and scratch test methods with possible use of data for dendrochronology // Nanobiotechnology Reports, 2024. v. 19 (6). P. 1-12] (Scopus, Web of Science, RSSI, РИНЦ, Белый список)

5. Коренков В.В., Гусев А.А., Тюрин А.И., Васюкова И.А., Юнак М.А., Головин Ю.И. Вязкоупругие свойства древесины бука, выявляемые методом динамического механического анализа // Известия ВУЗов. ФИЗИКА. 2024. T. 67. N 5. С. 108-111. https://doi.org/ 10.17223/00213411/67/5/13 [Korenkov V.V., Gusev А.А., Tyurin А.I., Vasyukovа I.А., Yunak М.А., Golovin Y.I. Viscoelastic properties of beech wood determined by the dynamic mechanical analysis // Russian Physics Journal] (Scopus, Web of Science, RSSI, РИНЦ, Белый список)

6. Shamaev V., Medvedev I., Russu A., Tyurin A., Samodurov A., Yunak M., Storodubtseva T., Ziemelis A., Garkusha O. Achievements and challenges of modified wood on the example of birch veneer // BIO Web of Conferences. 2024. V. 145, Art. N 03010(9). (Forestry Forum 2024). https://doi.org/10.1051/bioconf/202414503010 (Scopus, RSSI, РИНЦ, Белый список)

7. Самодуров А.А., Тюрин А.И., Коренков В.В., Юнак М.А., Родаев В.В., Тюрин В.А., Головин Д.Ю. Исследование физико-механических свойств и микроструктуры древесных материалов на разных масштабных уровнях // Материаловедение, 2025. [Samodurov A.A., Tyurin A.I., Korenkov V.V., Yunak M.A., Rodaev V.V., Tyurin V.A., Golovin D.Yu. Study of physical and mechanical properties and microstructure of wood materials at different scale levels // Inorganic Materials: Applied Research. 2025.] (Scopus, Web of Science, RSSI, РИНЦ, Белый список) (принята в печать)

8. Тюрин А.И., Коренков В.В., Самодуров А.А., Тюрин В.А., Юнак М.А. Исследование вязкоупругих свойств и пластичности ранней и поздней древесины сосны и ели методом непрерывного измерения жесткости при наноиндентировании // Актуальные проблемы прочности: материалы LXVIII международной научной конференции: Витебск, 27-31 мая 2024 года / под ред. В.В. Рубаника. - Минск: «ИВЦ Минфина», 2024. – 438 с. (C. 121-123) (РИНЦ, library.bntu.by)

9. Тюрин А.И., Самодуров А.А., Шамаев В.А., Коренков В.В., Тюрин В.А., Юнак М.А. Исследование структуры и картирование физико-механических свойств годовых колец древесины лиственных и хвойных пород методами наноиндентирования и скретч-теста // XXIV Петербургские чтения по проблемам прочности и III молодежная школа-семинар «Механика, химия и новые материалы». 23–25 апреля 2024 года, Санкт-Петербург, Россия: сб. материалов. — СПб.: Изд-во ВВМ, 2024. — 122 с. (C. 114). (РИНЦ)