Fibre ad anima liquida: Flusso di dati in glicerolo
I dati e i segnali possono essere trasmessi rapidamente e in modo affidabile con le fibre di vetro - a condizione che la fibra non si rompa. Un forte stress di flessione o di trazione può distruggerlo rapidamente. Un team dell'Empa ha ora sviluppato una fibra con un nucleo di glicerina liquida che è molto più robusta e può trasmettere dati in modo altrettanto affidabile. E tali fibre possono anche essere utilizzate per costruire componenti micro-idraulici e sensori di luce.
"In termini di fibre polimeriche otticamente conduttive, abbiamo provato di tutto", dice Rudolf Hufenus. "Ma anche con le migliori anime in fibra solida, non raggiungiamo mai una tale elasticità come con la nostra fibra riempita di liquido". La speciale combinazione di proprietà ottiche e meccaniche potrebbe ora aprire nuove nicchie di mercato per la fibra bicomponente dell'Empa.
Per valutare la posta in gioco, una breve panoramica della scena aiuta: i cavi in fibra ottica sono ideali per la trasmissione di dati su lunghe distanze. La tecnologia è collaudata e utilizzata su larga scala. Ma le fibre di vetro possono essere piegate solo in misura limitata e reagiscono molto sensibilmente alle sollecitazioni di trazione. Perché se il nucleo di vetro della fibra si strappa, la trasmissione dei dati è finita.
Usare un nucleo liquido per la trasmissione della luce?
Le fibre di plastica sono tipicamente utilizzate per distanze di trasmissione più brevi: per edifici individuali, locali aziendali o nei veicoli. L'anima di queste fibre è spesso fatta di PMMA - conosciuto anche come plexiglas - o del policarbonato di plastica. Questi materiali trasparenti sono più flessibili del vetro, ma quasi altrettanto sensibili alle forze di trazione. "Non appena si forma una microfrattura nel nucleo della fibra, la luce viene dispersa da essa e persa", spiega Hufenus. "Così la trasmissione dei dati inizialmente si deteriora, e più tardi il nucleo della fibra può anche strapparsi completamente in questo punto indebolito".
È qui che entra in gioco la competenza dell'Empa: da sette anni nei laboratori del dipartimento di ricerca "Advanced Fibers" di San Gallo è in funzione una macchina in grado di produrre fibre lunghe chilometri riempite di liquido. Con questo know-how, l'Empa è un leader mondiale. "Le fibre bicomponenti con un nucleo solido esistono da oltre 50 anni", dice Hufenus. "Ma produrre un nucleo liquido continuo è molto più complesso. Tutto deve combaciare esattamente perché abbia successo".
Questo nucleo liquido non potrebbe essere utilizzato anche per trasmettere la luce? si chiedeva il ricercatore dell'Empa. Sta seguendo le orme di una buona tradizione svizzera: fu il fisico ginevrino Jean-Daniel Colladon che per primo condusse la luce lungo l'interno di un getto d'acqua nel 1842 - e scoprì così una delle basi fisiche dell'attuale tecnologia delle fibre di vetro.
Per la conduzione della luce nelle fibre cave con un'anima liquida, però, ora tutto deve tornare a combaciare. La differenza dell'indice di rifrazione tra il liquido e il materiale di rivestimento trasparente è cruciale: l'indice di rifrazione del liquido deve essere significativamente maggiore di quello del materiale di rivestimento. Solo allora la luce sarà riflessa in modo pulito all'interfaccia e rimarrà intrappolata all'interno del nucleo liquido.
Allo stesso tempo, tutti gli ingredienti devono essere stabili alla temperatura. "I due componenti della fibra devono scorrere insieme attraverso il nostro spinneret ad alta pressione e a 200-300 gradi Celsius", dice il ricercatore dell'Empa. "Quindi abbiamo bisogno di un liquido con un indice di rifrazione adatto alla funzionalità e con la più bassa pressione di vapore possibile per la produzione della fibra". Il team ha deciso per un nucleo liquido fatto di glicerolo e un guscio fatto di un fluoropolimero.
Fino al 10% di allungamento reversibile
L'esperimento è riuscito: la fibra prodotta può resistere fino al dieci per cento di allungamento e poi ritorna alla sua lunghezza originale - nessun'altra fibra ottica a nucleo solido può farlo!
Ma la fibra non solo è estremamente estensibile, ma può anche misurare quanto è stata allungata. Hufenus e il suo team hanno aggiunto una piccola quantità di colorante fluorescente alla glicerina e hanno esaminato le proprietà ottiche di questa fibra luminescente durante il processo di stiramento. Risultato: quando la fibra viene allungata, il percorso della luce si allunga, ma il numero di molecole di colorante nella fibra rimane costante. Questo porta a un piccolo cambiamento nel colore della luce emessa, che può essere misurato con un'elettronica adatta. In questo modo, la fibra riempita di liquido può indicare un cambiamento di lunghezza o un carico di trazione che si sta verificando.
"Ci aspettiamo che le nostre fibre riempite di liquido possano essere utilizzate non solo per la trasmissione dei segnali e la tecnologia dei sensori, ma anche per la trasmissione di potenza nei micromotore e nella microidraulica", dice Hufenus. L'esatta composizione della guaina in fibra e dell'imbottitura può quindi essere adattata specificamente ai requisiti della rispettiva applicazione.
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