The effect of lignin content and lignin modification on Norway spruce wood properties and decay resistance

Three different Norway spruce cutting clones growing in three environments with different soil and climatic conditions were studied. The purpose was to follow variation in the radial growth rate, wood properties and lignin content and to modify wood lignin with a natural monolignol, coniferyl alcohol, by making use of inherent wood peroxidases. In addition, the incorporation of chlorinated anilines into lignin was studied with synthetic model compounds and synthetic lignin preparations to show whether unnatural compounds originating from pesticides could be bound in the lignin polymer. The lignin content of heartwood, sapwood and earlywood was determined by applying Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and a principal component regression (PCR) technique. Wood blocks were treated with coniferyl alcohol by using a vacuum impregnation method. The effect of impregnation was assessed by FTIR and by a fungal decay test. Trees from a fertile site showed the highest growth rate and sapwood lignin content and the lowest latewood proportion, weight density and modulus of rupture (MOR). Trees from a medium fertile site had the lowest growth rate and the highest latewood proportion, weight density, modulus of elasticity (MOE) and MOR. The most rapidly growing clone showed the lowest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. The slowest growing clone had the lowest sapwood lignin content and the highest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. Differences between the sites and clones were small, while fairly large variation was found between the individual trees and growing seasons. The cutting clones maintained clone-dependent wood properties in the different growing sites although variation between trees was high and climatic factors affected growth. The coniferyl alcohol impregnation increased the content of different lignin-type phenolic compounds in the wood as well as wood decay resistance against a white-rot fungus, Coriolus versicolor. During the synthetic lignin preparation 3,4-dichloroaniline became bound by a benzylamine bond to β-O-4 structures in the polymer and it could not be released by mild acid hydrolysis. The natural monolignol, coniferyl alcohol, and chlorinated anilines could be incorporated into the lignin polymer in vivo and in vitro, respectively.

Irradiation-mediated tailoring of carbon nanotubes

The ever-increasing demand for faster computers in various areas, ranging from entertaining electronics to computational science, is pushing the semiconductor industry towards its limits on decreasing the sizes of electronic devices based on conventional materials. According to the famous law by Gordon E. Moore, a co-founder of the world s largest semiconductor company Intel, the transistor sizes should decrease to the atomic level during the next few decades to maintain the present rate of increase in the computational power. As leakage currents become a problem for traditional silicon-based devices already at sizes in the nanometer scale, an approach other than further miniaturization is needed to accomplish the needs of the future electronics. A relatively recently proposed possibility for further progress in electronics is to replace silicon with carbon, another element from the same group in the periodic table. Carbon is an especially interesting material for nanometer-sized devices because it forms naturally different nanostructures. Furthermore, some of these structures have unique properties. The most widely suggested allotrope of carbon to be used for electronics is a tubular molecule having an atomic structure resembling that of graphite. These carbon nanotubes are popular both among scientists and in industry because of a wide list of exciting properties. For example, carbon nanotubes are electronically unique and have uncommonly high strength versus mass ratio, which have resulted in a multitude of proposed applications in several fields. In fact, due to some remaining difficulties regarding large-scale production of nanotube-based electronic devices, fields other than electronics have been faster to develop profitable nanotube applications. In this thesis, the possibility of using low-energy ion irradiation to ease the route towards nanotube applications is studied through atomistic simulations on different levels of theory. Specifically, molecular dynamic simulations with analytical interaction models are used to follow the irradiation process of nanotubes to introduce different impurity atoms into these structures, in order to gain control on their electronic character. Ion irradiation is shown to be a very efficient method to replace carbon atoms with boron or nitrogen impurities in single-walled nanotubes. Furthermore, potassium irradiation of multi-walled and fullerene-filled nanotubes is demonstrated to result in small potassium clusters in the hollow parts of these structures. Molecular dynamic simulations are further used to give an example on using irradiation to improve contacts between a nanotube and a silicon substrate. Methods based on the density-functional theory are used to gain insight on the defect structures inevitably created during the irradiation. Finally, a new simulation code utilizing the kinetic Monte Carlo method is introduced to follow the time evolution of irradiation-induced defects on carbon nanotubes on macroscopic time scales. Overall, the molecular dynamic simulations presented in this thesis show that ion irradiation is a promisingmethod for tailoring the nanotube properties in a controlled manner. The calculations made with density-functional-theory based methods indicate that it is energetically favorable for even relatively large defects to transform to keep the atomic configuration as close to the pristine nanotube as possible. The kinetic Monte Carlo studies reveal that elevated temperatures during the processing enhance the self-healing of nanotubes significantly, ensuring low defect concentrations after the treatment with energetic ions. Thereby, nanotubes can retain their desired properties also after the irradiation. Throughout the thesis, atomistic simulations combining different levels of theory are demonstrated to be an important tool for determining the optimal conditions for irradiation experiments, because the atomic-scale processes at short time scales are extremely difficult to study by any other means.

Ruumis ja rauta : esseitä esineiden sosiaalisuudesta

"Body and Iron: Essays on the Socialness of Objects" focuses on the bodily-material interaction of human subjects and technical objects. It poses a question, how is it possible that objects have an impact on their human users and examines the preconditions of active efficacy of objects. In this theoretical task the work relies on various discussions drawing from realistic ontology, phenomenology of body, neurophysiology of Antonio Damasio and psychoanalysis to establish both objects and bodies as material entities related in a causal interaction with each other. Out of material interaction emerge a symbolic field, psyche and culture that produce representations of interactions with material world they remain dependent on and conditioned by. Interaction with objects informs the human body via its somatosensory systems: interoseptive and proprioseptive (or kinesthetic) systems provide information to central nervous system of the internal state of the body and muscle tensions and motor activity of the limbs. Capability to control the movements of one's body by the internal "feel" of being a body turns out to be a precondition to the ability to control artificial extensions of the body. Motor activity of the body is involved in every perception of environment as the feel of one's own body is constitutive of any perception of external objects. Perception of an object cause changes in the internal milieu of the body and these changes in the organism form a bodily representation of an external object. Via these "muscle images" the subject can develop a feel for an instrument. Bodily feel for an object is pre-conceptual, practical knowledge that resists articulation but allows sensing the world through the object. This is what I would call sensual knowledge. Technical objects intervene between body and environment, transforming the relation of perception and motor activity. Once connected to a vehicle, human subject has to calibrate visual information of his or her position and movement in space to the bodily actions controlling the machine. It is the machine that mediates the relation of human actions to the relation of her body to its environment. Learning to use the machine necessarily means adjusting his or her bodily actions to the responses of the machine in relation to environmental changes it causes. Responsiveness of the machine to human touch "teaches" its subject by providing feedback of the "correctitude" of his or her bodily actions. Correct actions form a body technique of handling the object. This is the way of socialness of objects. While responding to human actions they generate their subjects. Learning to handle a machine means accepting the position of the user in the program of action materialized in the construction of the object. Objects mediate, channel and transform the relation of the body to its environment and via environment to the body itself according to their material and technical construction. Objects are sensory media: they channel signals and information from the environment thus constituting a representation of environment, a virtual or artificial reality. They also feed the body directly with their powers equipping their user with means of regulating somatic and psychic states of her self. For these reasons humans look for the company of objects. Keywords: material objects, material culture, sociology of technology, sociology of body, mobility, driving

Agoralla : avauksia ympäristöasiantuntijoiden vuorovaikutusprosesseista

Ympäristöasiantuntijoiden vuorovaikutusta on tutkittu agoralla (antiikin tori). Se on julkinen tila, jossa markkinat, politiikka, tiede ja yhteiskunta kohtaavat. Tutkimus kuuluu yhteiskuntatieteellisen ympäristötutkimuksen alaan, mutta siinä hyödynnetään myös tulevaisuudentutkimusta. Työn motivaationa on ollut tekijän monitieteinen koulutustausta: yhteiskuntatieteilijä ja luonnontieteilijä. Miten ja miksi vuorovaikutus eri asiantuntijoiden välillä on haasteellista ja merkityksellistä esimerkiksi metsän biodiversiteetin vähenemisen ehkäisemiseksi. Keskeisiä käsitteitä ovat asiantuntijuus, vuorovaikutus, tiedon luotettavuusja kontekstisidonnaisuus, Väitöskirja koostuu neljästä eri asiantuntijuustarinasta. Ensimmäinen (luku 2) perustuu haastatteluihin suomalaisten ja saksalaisten bio- ja yhteiskuntatietelijöiden käsityksistä luonnosta ja ympäristöstä. Tutkimusongelmana on luonnontieteilijöiden ja yhteiskuntatieteilijöiden Suomessa ja Saksassa ”kulttuurierot” luonnon ja ympäristön käsitteellistämisessä. Johtopäätöksenä on, että aistittu luonto, ympäröivä ympäristö sekä ihmisen muokkaama elinympäristö eivät tunne selkeitä tiede- eikä maanrajoja. Tämä luku toimii ponnahduslautana konstruktioiden taakse vuorovaikutuksen haasteisiin. Kirjan toinen tarina (luku 3) perustuu haastatteluihin suomalaisten metsän biodiversiteettiasiantuntijoiden vuorovaikutuksesta. Tutkimusongelman lähtökohtana on metsän biodiversiteetin väheneminen ja tästä seuraavat polittisetkin vuorovaikutustilanteet. Miten konteksti vaikuttaa eri asiantuntijoiden vuorovaikutukseen ja mitä tästä seuraa? Analyysin päätulos on implisiittisen, vahvasti kontekstisidonnaisen asiantuntijatiedon hyödyntämisen tarve ja voimavara metsän biodiversiteetin vähenemisen ennaltaehkäisemiksi. Kolmas tarina asiantuntijuudesta (luku 4) perustuu Etelä-Suomen metsien suojelutoimikunnassa (Metso) tehtyihin havainnointeihin. Tutkija on näin ollut itse eräänlaisella torilla havainnoijana. Tutkimusongelmana on ”ohipuhuminen”, tiedon luotettavuus ja implisiittien tiedon hyväksyttävyys. Johtopäätöksenä on asiantuntijuuden vahva kontekstisidonnaisuus hetkeen ja paikkaan ja yhteisen kielen (vrt. transdisiplinaarisuus) löytyminen yhteisen tavoitteen saavuttamiseksi. Merkittäviä välineitä vuorovaikutuksen onnistumiseen ovat esimerkiksi yhteinen vahva tavoitetila, interkatio, joka koskee läsnä olevia ihmisiä ei instituutioita sekä fasilitaattorin vahva rooli tulkkina ja välittäjänä. Neljäs tarina (luku 5) vie agoran konkretiaan. Tässä luvussa on kehitetty eläytymiskävely- menetelmää, jossa fasilitaattori (tutkija) johdattaa Espoon keskuksessa hallinnon, politiikan, asukkaiden ja konsultin edustajat aistimaan ja tulkitsemaan alueen sosiaalista tilaa, toiminnallisuutta ja elämyksellisyyttä. Ongelmana on aistimaailman asiantuntemuksen hyödyntämättömyys yhdyskuntasuunnittelun välineenä mm. asiantuntijoiden vuorovaikutuksen välineenä. Menetelmäkehitys on aluillaan, mutta jo tässä tapauksessa käy ilmi, että jaettu tila, jaetut aistikokemukset konkreettisella kävelyllä avaavaat vuorovaikutuksen uusiin ulottuvuuksiin, jossa implisiittiselle asiantuntemukselle annetaan sijansa vuorovaikutuksessa ja tätä kautta voidaan vaikuttaa myös tehtäviin päätöksiin, toimenpiteisiin. Johtopäätöksissä (luku 6) korostuu implisiittisen asiantuntijuuden merkitys. Onnistunut vuorovaikutteinen toiminta eri asiantuntijoiden kesken esimerkiksi erilaisia ympäristöongelmia –ja ilmiöitä ratkottaessa ja pohdittaessa vaatii vuorovaikutusosaamista. Tutkimuksen lopuksi suositellaan esimerkiksi ennakkoluulottomia avauksia agoralla. Asiantuntijuus ei ole yksi ja vain asiaatuntevuus on mahdollista. Agora on jatkuvassa liikkeessä ja juuri siinä piilee voimavara tulevaisuuden haasteisiin erilaisilla rajapinnoilla. Avainsanat: asiantuntijuus, vuorovaikutus, tieto, konteksti, agora

Kirjallisuuskatsaus: Eturauhassyövän androgeeniresponsiiviset in vivo -mallit; Kokeellinen osa: Bioluminesenssiin perustuvan ortotooppisen eturauhassyöpämallin optimointi

Eturauhassyöpä on yksi yleisimmistä syövistä länsimaissa. Eturauhassyöpä on yleensä hitaasti kehittyvä tauti. Edetessään se voi kuitenkin muuntua aggressiivisemmaksi ja aiheuttaa metastaaseja, jotka ovat pääasiallisena syynä taudin kuolleisuuteen. Androgeenit ovat merkittäviä tekijöitä eturauhassyövän patogeneesissä ja eturauhassyöpäkudos on useimmiten riippuvainen androgeeneista. Tämän vuoksi hoidon tavoitteena on estää niiden eritys kirurgisella tai kemiallisella kastraatiolla ja/tai estää androgeenien vaikutus antiandrogeeneilla. Eturauhassyöpää sekä sen hoitoon tarkoitettuja uusia lääkehoitomahdollisuuksia tutkitaan kiivaasti. Eturauhassyövän tutkimiseen on kehitetty lukematon määrä erilaisia in vivo -malleja. Koska eturauhassyöpä on yleensä androgeeneille herkkä, kuvaavat androgeeniresponsiiviset eläinmallit ihmisen tautia parhaiten. Eturauhassyövän mallintamiseen in vivo voidaan käyttää eri eläinlajeja, mutta hiiri on ylivoimaisesti käytetyin mallieläin. Immuunipuutteisiin hiiriin voidaan aiheuttaa kasvaimia inokuloimalla ihmisen kasvainsoluja tai osia ihmisen kasvaimista. Ortotooppisesti eturauhaseen inokuloitavat kasvainmallit mallintavat eturauhassyövässä esiintyvää syöpäsolujen ja stroomasolujen välistä epänormaalia vuorovaikutusta. Muuntogeeniset hiirimallit ovat yhä yleisempiä eturauhassyövän tutkimuksessa. Muuntogeenisilla malleilla voidaan mallintaa taudin kehittymistä ja sen etenemistä kokonaisuudessaan parhaiten. Eturauhasessa olevaa kasvainta ja sen kasvua on vaikea seurata ilman prostataspesifisen antigeenin (PSA) pitoisuuden mittausta tai erityisiä kuvantamistekniikoita. Tällaisia menetelmiä, kuten optista kuvantamista, käytetään yhä enemmän hyödyksi erilaisissa eturauhassyövän in vivo -malleissa. Tutkielman kokeellisen osan tavoitteena oli optimoida bioluminesenssiin perustuva optinen kuvantamismenetelmä androgeeniresponsiivisessa LNCaP-luc2-solulinjassa ortotooppisessa eturauhassyöpämallissa. Bioluminesenssikuvantaminen perustuu kasvainsolujen ilmentämän lusiferaasin katalysoimaan reaktioon, jossa entsyymin substraatti, lusiferiini, hapettuu ja tuottaa näkyvää valoa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia lääkehoitojen ja kastraation vasteita mallissa. Bioluminesenssiin perustuvalla kuvantamisella oli mahdollista seurata eturauhaskasvainten kasvua noninvasiivisesti, reaaliaikaisesti ja toistuvasti. Bioluminesenssikuvantamisen avulla kasvainten kvantitointi oli nopeampaa kuin ultraäänikuvantamisen avulla, ja kasvainten kasvua oli myös mahdollista seurata useammin kuin seerumin PSA-mittausten avulla. Bioluminesenssikuvantamisen todettiin korreloivan paremmin PSA-pitoisuuden kanssa kuin kasvaimen todelliseen kokoon lopetushetkellä. Seerumin PSA-pitoisuus korreloi kuitenkin bioluminesenssimittausta paremmin eturauhaskasvaimen kokoon tässä kokeessa. Kasvainten oletettua suurempaa kokoa voidaan pitää todennäköisimpänä syynä sille, ettei lääkehoitojen tai kastraation todettu vaikuttavan kasvainten kasvuun bioluminesenssikuvantamisella mitattuna. Bioluminesenssikuvantaminen ei sovellu suurille eikä nekroottisille kasvaimille, sillä kuvantamismenetelmä toimii vain elävillä soluilla. Bioluminesenssikuvantamisen hyödyntämisen kannalta oleellista tässä mallissa on myös lusiferiini-injektion onnistuminen. Jatkotutkimuksia tarvitaan edelleen mallin validoimiseksi mm. lääkehoitojen vasteiden osoittamiseksi.