Fibres à âme liquide : Flux de données dans la glycérine
Les fibres de verre permettent de transmettre des données et des signaux de manière rapide et fiable, à condition que la fibre ne se rompe pas. Une forte contrainte de flexion ou de traction peut rapidement le détruire. Une équipe de l'Empa a maintenant développé une fibre avec un noyau de glycérine liquide qui est beaucoup plus robuste et peut transmettre des données de manière tout aussi fiable. Et ces fibres peuvent même être utilisées pour construire des composants micro-hydrauliques et des capteurs de lumière.
"En ce qui concerne les fibres polymères optiquement conductrices, nous avons essayé toutes sortes de choses", déclare Rudolf Hufenus. "Mais même avec les meilleurs noyaux en fibre solide, nous n'atteignons jamais une telle élasticité qu'avec notre fibre remplie de liquide". La combinaison particulière de propriétés optiques et mécaniques pourrait maintenant ouvrir de nouvelles niches de marché pour la fibre bicomposante de l'Empa.
Pour évaluer les enjeux, un bref tour d'horizon s'impose : les câbles à fibres optiques sont idéaux pour la transmission de données sur de longues distances. La technologie est éprouvée et utilisée à grande échelle. Mais les fibres de verre ne peuvent être pliées que dans une mesure limitée et réagissent de manière très sensible aux contraintes de traction. Si le cœur en verre de la fibre se déchire, la transmission des données est terminée.
Utilisation d'un noyau liquide pour la transmission de la lumière ?
Les fibres plastiques sont généralement utilisées pour des distances de transmission plus courtes : pour les bâtiments individuels, les locaux d'entreprise ou dans les véhicules. Le cœur de ces fibres est souvent constitué de PMMA - également connu sous le nom de plexiglas - ou de plastique polycarbonate. Ces matériaux transparents sont plus flexibles que le verre, mais presque aussi sensibles aux forces de traction. "Dès qu'une microfissure se forme dans le cœur de la fibre, la lumière est diffusée par celle-ci et perdue", explique Hufenus. "Ainsi, la transmission des données se détériore dans un premier temps, et plus tard, le cœur de la fibre peut même se déchirer complètement à ce point affaibli."
C'est là que le savoir-faire de l'Empa entre en jeu : depuis sept ans, les laboratoires du département de recherche "Advanced Fibers" à Saint-Gall abritent une machine capable de produire des fibres d'un kilomètre de long remplies de liquide. Avec ce savoir-faire, l'Empa est un leader mondial. "Les fibres à deux composants avec un noyau solide existent depuis plus de 50 ans", explique Hufenus. "Mais la fabrication d'un noyau liquide continu est considérablement plus complexe. Il faut que tout s'emboîte parfaitement pour que ça marche."
Ce noyau liquide ne pourrait-il pas également être utilisé pour transmettre la lumière ? s'est demandé le chercheur de l'Empa. Il suit les traces d'une bonne tradition suisse : c'est le physicien genevois Jean-Daniel Colladon qui, en 1842, a conduit pour la première fois la lumière à l'intérieur d'un jet d'eau - et a ainsi découvert l'un des fondements physiques de la technologie actuelle de la fibre de verre.
Pour la conduction de la lumière dans les fibres creuses avec un noyau liquide, cependant, tout doit à nouveau s'accorder. La différence d'indice de réfraction entre le liquide et le matériau de revêtement transparent est cruciale : l'indice de réfraction du liquide doit être nettement supérieur à celui du matériau de revêtement. Ce n'est qu'alors que la lumière sera proprement réfléchie à l'interface et restera piégée à l'intérieur du noyau liquide.
En même temps, tous les ingrédients doivent être stables en température. "Les deux composants de la fibre doivent passer ensemble dans notre filière sous haute pression et à une température de 200 à 300 degrés Celsius", explique le chercheur de l'Empa. "Nous avons donc besoin d'un liquide avec un indice de réfraction approprié pour la fonctionnalité et avec une pression de vapeur la plus faible possible pour la production de la fibre." L'équipe a opté pour un noyau liquide composé de glycérol et une coque en polymère fluoré.
Jusqu'à 10 % d'allongement réversible
L'expérience a été couronnée de succès : la fibre produite peut supporter jusqu'à dix pour cent d'allongement et revient ensuite à sa longueur initiale - aucune autre fibre optique à noyau solide ne peut faire cela !
Mais la fibre n'est pas seulement extrêmement extensible, elle peut aussi mesurer la distance à laquelle elle a été étirée. Hufenus et son équipe ont ajouté une petite quantité de colorant fluorescent à la glycérine et ont examiné les propriétés optiques de cette fibre luminescente pendant le processus d'étirement. Résultat : lorsque la fibre est étirée, le trajet de la lumière s'allonge, mais le nombre de molécules de colorant dans la fibre reste constant. Cela entraîne une légère modification de la couleur de la lumière émise, qui peut être mesurée à l'aide d'un système électronique approprié. De cette façon, la fibre remplie de liquide peut indiquer un changement de longueur ou une charge de traction qui se produit.
"Nous pensons que nos fibres remplies de liquide pourront être utilisées non seulement pour la transmission de signaux et la technologie des capteurs, mais aussi pour la transmission de puissance dans les micromoteurs et la microhydraulique", explique M. Hufenus. La composition exacte de la gaine de la fibre et du remplissage peut alors être spécifiquement adaptée aux exigences de l'application respective.
Autres sujets : Aimants fraîchement imprimés
