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

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. 

Публикации