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Revealing key properties of wood with spectroscopic THz imaging

Applicant Zolliker Peter
Number 179061
Funding scheme Project funding
Research institution Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA)
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2022
Approved amount 260'966.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Condensed Matter Physics
Agricultural and Forestry Sciences
Forest Engineering

Keywords (5)

Wood science; Cell wall structure; Wood-water interaction; THz spectroscopy; Imaging

Lay Summary (German)

Lead
Der Baustoff Holz wird zunehmend in anspruchsvollen, lasttragenden Anwendungen, wie Hochhäusern, verwendet. Schlüsselparameter für die Festigkeit und Stabilität von Holz sind Struktur und Orientierung der Cellulose-Mikrofibrillen in den Holzzellwänden sowie die Verteilung und Diffusionsprozesse von Wasser. Terahertz (THz)-Technologie bietet die Möglichkeit, innere Eigenschaften von Holz zu analysieren und abzubilden. Sie ermöglicht In-situ- Diffusions- oder mechanische Experimente unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und über längere Zeiträume.
Lay summary

Für dieses Projekt haben wir drei Schlüsselaspekte identifiziert, die einen signifikanten wissenschaftlichen Einfluss auf das Verständnis und die Charakterisierung von Holzeigenschaften haben können:

  • THz-Strahlung ist sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Wasser. Aufgrund der spektralen Eigenschaften von Wasser und Zellwandpolymeren wird eine räumlich und zeitlich aufgelöste Messung von Wassergehalt und Diffusion in Holz ermöglicht.
  • Die anisotropen optischen Eigenschaften von Holz und Zellulose korrelieren stark mit der Orientierung der Cellulose-Mikrofibrillen Darum ist die THz-Strahlung ein ausgezeichnetes Medium zur Untersuchung der für mechanische Eigenschaften relevanten räumlichen Struktur von Holz.
  • Interne Spannung in einem Material ist auch eine Ursache für anisotrope optische Eigenschaften. Veränderungen der optischen Anisotropie bei THz-Wellenlängen können darum mit Spannungsänderungen im Holz korrelieren werden.

Unser Ziel ist es, ein spektroskopisches THz-Bildgebungssystem in einer feuchtigkeitskontrollierten Umgebung aufzubauen und zu verwenden, mit der Option, zusätzliche Geräte wie simultane Wägung oder In-situ-Zugversuche zu integrieren.  Dies ermöglicht eine weiterführende Forschung durch In-situ-Bildgebung von Holzstruktur- und Diffusionsprozessen.

Für die Holzforschung erwarten wir ein besseres Verständnis der strukturmechanischen Zusammenhänge, wie auch der Wechselwirkung zwischen Holz und Wasser. Die im Projekt entwickelte bildgebende THz-Spektroskopie wird über das eigentliche Thema Holz hinaus für andere Materialien und Forschungsthemen von grossem Nutzen sein.

Direct link to Lay Summary Last update: 13.08.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
160078 Mechanical contact of skin and textiles: THz imaging and modeling of the interface 01.07.2015 Project funding

Abstract

Wood is increasingly used in more demanding, load bearing applications such as high-rise buildings, and a number of new engineered wood products have been developed fairly recently such as CLT (cross-laminated timber). In addition, hardwood species such as beech or ash are becoming more important for these products. In light of these new applications and the goal of a more efficient and advanced use of wood, a better insight into structure-mechanics relationships and into wood-water interacting are needed.Key parameters are structure and orientation of the cellulose microfibrils in the wood cell walls and the distribution and diffusion of water in wood. To analyze these parameters with a suitable spatial and temporal resolution, analytical techniques, such as X-ray diffraction (structural analysis), nuclear magnetic resonance spectroscopy and neutron imaging (imaging the distribution of water in wood), have been established, which require expensive stationary facilities.THz technology provides the unique possibility to analyze and image these key parameters and properties of wood with the big advantage of being a non-hazardous technique and allowing for sample accessibility and manipulation during the experiments. This makes the THz technology in particular suitable for in situ diffusion or mechanical experiments, applying various climatic conditions and imaging over longer times. Furthermore, due the small size of sources and detectors, it is well-suited for the development of mobile instruments for on-sight investigations and has the potential of becoming a frequently used key technology in wood science.For this project we have identified three key aspects in THz technology, which will have a significant scientific impact on the understanding and characterization of wood properties:(i)THz radiation is very sensitive to humidity and water. Due to the different spectral properties of water compared to those of the cell wall polymers it allows for a spatially and timely resolved measurement of water content and diffusion in wood.(ii)As the anisotropic optical properties of wood and cellulose correlate strongly with the cellulose microfibril structure, THz radiation is an excellent medium for probing the spatial structure of wood relevant to mechanical properties.(iii)Internal stress in a material is also a cause for anisotropic optical properties. We presume that we can correlate changes in optical anisotropy at THz wavelengths with stress changes in wood.Next to these key aspects, other parameters such as density or internal defects can be unraveled by THz radia- tion.Previous studies, including own work, dealt with these topics; however, they are mainly based on single spot measurements. Our goal is to build and use a spectroscopic THz imaging setup in a humidity controlled environment with the possibility to integrate additional devices such as simultaneous weighting or in-situ tensile tests. This will allow us performing advanced research by in-situ imaging of diffusion processes and structural aspects of wood.We apply for funding of one PhD-student for four years, one postdoc for two years, and a contribution to extend our THz spectrometer to a spectroscopic THz imaging system. Markus Rüggeberg from Empa, will collaborate in the project on all wood specific aspects. Prof. Ingo Burgert, ETH will supervise the thesis. The work is performed at the Transport at Nanoscale Interface Laboratory in close collaboration with the Laboratory for Applied Wood Materials, both at Empa Dübendorf and the Wood Materials Science Group at the Institute for Building Materials at ETH Zürich.
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