Transparent wood (TW) biocomposites combines load-bearing properties with high transmittance of light. TW consists of a reinforcing wood substrate that has been infiltrated with a polymer matrix. TW can be combined with additives so that new multifunctional materials are obtained. Functional additives are, however, sensitive to aggregation and the wood structure limits particle infiltration. Dispersion and distribution of additives as well as optical properties were controlled by chemical treatment of the wood substrate. The structure and chemistry of the wood substrate was influenced by delignification or bleaching.

With a thiol-ene polymer matrix, wood was tailored to produce TW with high or low optical scattering. It was possible to dope a delignified wood substrate with a high content of a fluorescent dye to produce TW solid-state dye lasers. Optical scattering enhanced the spectral brightness of the lasers and wave-guiding in TW partially directed the emission, producing a quasi-random laser.

Favourable distribution of nanoparticles (NPs) was obtained by two routes: in-situ synthesis and charge-regulated NP diffusion. With in-situ synthesis, mobile precursors infiltrated the substrate. With charge-regulated diffusion, cationic NPs were dispersed by negative charges in the wood substrate. Structurally coloured TW with wavelength-specific polarization was produced by in-situ synthesis of plasmonic NPs (PNPs). Utilization of wood compounds as reagents and stabilizing ligands produced TW with well-dispersed PNPs. Flame-retardant and self-extinguishing TW with preserved optical transmittance was prepared by charge-regulated diffusion of cationic silica NPs.

In conclusion, functionalization of wood substrates promoted controlled dispersion of additives for TW with new functionalities, such as laser performance, fluorescence, fire-retardant properties and structural colours.

Transparent trä (TW) är biokompositmaterial som kombinerar lastbärande egenskaper med hög ljustransmittans. TW består av träsubstrat som impregnerats med en polymermatris. Genom att tillsätta additiv till TW kan nya multifunktionella material framställas. Additivens funktioner begränsas dock ofta av aggregation och strukturen i trä begränsar partikelimpregnering. Med kemisk behandling av träsubstratet kan additivens dispersion och distribuering samt optiska egenskaper justeras i TW. Strukturen och kemin i träsubstraten påverkades med delignifiering eller blekning.

 Med en thiol-ene-polymermatris kunde TW med hög eller låg ljusspridning framställas genom att justera träsubstratets kemi. Delignifierat trä kunde dopas med stora mängder fluorescerande färgämnen så att en TW-baserad laser framställdes. I lasern förstärktes emissionen av ljusspridning. Dessutom riktade vågledning i TW emissionen så att lasern inte var slumpartad.

Nanopartiklar (NP) distribuerades i trä genom in-situ syntes eller laddningsreglerad diffusion. Med in-situ syntes kan trä impregneras med mobila reaktanter. Med laddningsreglerad diffusion kan katjoniska NP dispergeras av negativa laddningar i träsubstratet. TW med strukturell färg och våglängdsspecifik polarisering framställdes med in-situ syntes av plasmoniska NP (PNP). Träkomponenter reducerade, dispergerade och stabiliserade PNP. TW med flamskyddande och självsläckande egenskaper och med bevarad ljustransmittans framställdes med laddningsreglerad diffusion av kajoniska silika NP.

Sammanfattningsvis så har biokomopsiter med nya egenskaper framställts genom att bleka eller delignifiera träsubstrat så att dispersionen av additiv förbättrades i TW. TW med laserförmåga, fluorescens, flamskyddande egenskaper och strukturell färg har framställts.

Investigating novel materials requires understanding their chemical and optical properties, which allows for finding their uses through functionalization by chemical modification. In this thesis, we are focusing on a material with high anisotropic scattering - transparent wood. This biocomposite material has a hierarchical structure ranging from nanometer to hundreds of micrometers scale, and natural ordering, which is between perfectly ordered and fully random structure. Optical transparency in the visible range and the unique structure of transparent woods show good potential for functionalization. Due to complex structure and nonhomogenous chemical composition, not all characterization methods are fitting. While relatively straightforward properties like transmittance and haze can be measured using known techniques, but additional investigation was required to understand light behavior and measure other properties. In this work, the modeling method for investigation of light propagation and estimation of the effective refractive index of transparent wood for a deeper understanding of a material. Transparent wood has shown excellent host properties, capable of holding high concentrations of Rhodamine 6G laser dye without aggregate formation. In this dissertation, we present the analysis of the host properties of transparent wood and show that the dye forms statistical energy traps at high concentrations of dye. By doping transparent wood with active dye and pumping it with SHGNd:YAG green laser, the optical gain within the active media can be achieved. The feedback in this optical system is occurring via scattering on fiber walls, showing behavior similar to random lasers. However, due to the semi-ordered structure and wave-guiding effect of transparent wood, the transparent wood laser is referred to as a ”quasi-random laser”. The lasing emission can be further enhanced by the introduction of an external cavity, virtually expanding the active media allowing more lasing modes to be resolved, and increasing laser power.This work demonstrates the characterization of transparent wood optical and chemical properties and develops a computational model that can be used for further investigation of light behavior in semi-ordered anisotropic media.  The functionalization of transparent wood is demonstrated by the introduction of a quasi-random laser and modification of that laser is presented.

Undersökning och tillämpning av nya material kräver förståelse för deras egenskaper: kemiska, fysikaliska och optiska. Utifrån etablerad förståelse av materialegenskaperna kan vidare funktionalisering, genom kemisk modifiering, öppna möjligheter för nya framtida tillämpningar. I detta examensarbete ligger fokus på ett material med hög anisotropisk spridning – transparent trä. Detta biokompositmaterial har en naturligt arrangerad hierarkisk struktur med intrinsiska längdskalor från nanometer till hundratals mikrometer, mellan perfekt ordnad och helt slumpmässig struktur. Optisk transparens i det synliga området och den unika strukturen hos transparent trä uppvisar lovande potential för funktionalisering. På grund av dess komplexa struktur och icke-homogena kemiska sammansättning är urvalet av lämpliga karakteriseringsmetoder begränsat. Relativt enkla egenskaper som transmittans och haze kan bestämmas med etablerade tekniker, men det krävs ytterligare undersökningar för att i detalj förstå ljusutbredning i dessa material. I detta arbete, som en del av ett större projekt, övervägdes och validerades modelleringsmetoden för undersökning av ljusutbredning och uppskattning av det effektiva brytningsindexet för transparent trä. Genomskinligt trä har uppvisat utmärkta värdegenskaper vilket möjliggör hög koncentration av tillsatser utan aggregatbildning, till exempel metallnanopartiklar eller organiska färgämnen såsom Rhodamine 6G (Rh6G). Bland kärnfrågorna i denna avhandling presenterar vi analys av värdegenskaperna hos transparent trä och visar hur färgämnet kan bilda statistiska energifällor vid höga koncentrationer. Genom att dopa transparent trä med Rh6G och pumpa det med en extern laserkälla kan optiska förstärkningen i det aktiva mediet uppnås. återkopplingen i detta optiska system sker via spridning på fiberväggar, vilket visar beteende som liknar slumpmässiga lasrar. Men på grund av den halvordnade strukturen och vågledande egenskaperna hos transparent trä, klassificeras den transparentat rälasern som en ”kvasi-slumpmässig laser”. Laseremissionen kan förbättras ytterligare genom införandet av en extern kavitet, vilken utökar det aktiva mediet och tillåter att fler lasermoder kan upplösas, vilket ökar lasereffekten. Detta arbete omfattar karakterisering av optiska och delvis kemiska egenskaper hos transparent trä. En numerisk modell som kan användas för vidare undersökning av ljusbeteende i halvordnade anisotropa medier presenteras. Funktionaliseringen av transparent trä demonstreras av realiseringen av den kvasislumpmässiga lasern och studien av dess egenskaper.