Fibre ottiche a nucleo liquido per innalzare la conduttività

A San Gallo gli scienziati dell’EMPA hanno sviluppato un conduttore più robusto del vetro e della plastica partendo da un’anima di… glicerolo

Con le fibre di vetro è possibile trasmettere dati e segnali in modo rapido e affidabile, ovviamente a condizione che la fibra non si rompa. Forti sollecitazioni di flessione o di trazione possono distruggerla rapidamente, infatti.
Un team dell’EMPA, lo Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt della Confederazione Svizzera, ha ora sviluppato una fibra con un nucleo di glicerolo liquido, che è molto più robusto e può trasmettere dati in modo altrettanto affidabile. Non soltanto: tali fibre possono anche essere utilizzate per costruire componenti microidraulici e sensori di luce.
“Ragionando delle fibre polimeriche con capacità di conduzione ottica, ammetto che abbiamo provato un po’ di tutto”, dice Rudolf Hufenus, Group Leader, Deputy Head of Laboratory, presso la sede di San Gallo dell’autorevole istituzione federale.
“Ma anche con i migliori nuclei a fibra solida, non si potrà mai ottenere l’elasticità che dà la nostra soluzione riempita di liquido”.
La speciale combinazione di proprietà ottiche e meccaniche potrebbe ora aprire nuovi mercati per la fibra “bicomponente”, sperimentata dai Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali, accanto alla consolidata fibra di vetro.

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Vetro e Plexigas identicamente sensibili alle forze di trazione

I cavi in fibra ottica sono ideali per la trasmissione di dati su lunghe distanze. La tecnologia è collaudata e viene utilizzata su larga scala. C’è tuttavia un inconveniente: le fibre di vetro possono essere piegate soltanto in misura limitata e sono molto sensibili alle sollecitazioni di trazione.
Le fibre di plastica, d’altro canto, sono tipicamente utilizzate per distanze di trasmissione più brevi: per edifici individuali, locali aziendali o nei veicoli. Il nucleo di queste fibre è spesso fatto di PMMA, noto anche come Plexiglas, o di polimero policarbonato.
Anche se questi materiali trasparenti sono più flessibili del vetro, sono quasi altrettanto sensibili alle forze di trazione.
“Non appena si forma una microfrattura nell’anima della fibra, la luce viene dispersa attraverso di essa e definitivamente perduta”, aggiunge Rudolf Hufenus.
“La trasmissione dei dati inizialmente si deteriora, ma più tardi il nucleo della fibra potrà anche strapparsi completamente nel punto già indebolito”.
È qui che entra in gioco la competenza dell’EMPA: da ben sette anni, il laboratorio Advanced Fibers di San Gallo ospita una macchina che può produrre fibre chilometriche riempite con un liquido. In virtù di questa specifica competenza, lo Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt è un leader nel settore a livello mondiale.
“Le fibre a due componenti con un’anima solida esistono da più di cinquant’anni”, aggiunge il Group Leader Polymer & Processing, Melt Spinning of Fibers, Multicomponent Fibers, Technical Textiles, Deputy Head of Laboratory dell’EMPA.
“Ma produrre un’anima liquida continua è molto più complesso. Tutto deve essere sempre perfetto, nel tempo così come nello spazio”.
Il ricercatore elvetico si è anche chiesto: questo nucleo liquido non potrebbe essere utilizzato anche per la trasmissione della luce?

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Una teoria che affonda le sue radici nella Ginevra del 1842

Fu il fisico ginevrino Jean-Daniel Colladon che, nel lontano 1842, inserendo per la prima volta una fonte di luce all’interno di un getto d’acqua, scoprì una delle basi fisiche dell’attuale tecnologia delle fibre ottiche.
Per la conduzione della luce nelle fibre cave dotate di nuclei liquidi, tuttavia, tutto o quasi deve essere pensato ex novo. La differenza negli indici di rifrazione tra il liquido e il materiale di rivestimento trasparente è l’elemento cruciale.
Più precisamente, l’indice di rifrazione del liquido deve essere significativamente maggiore di quello del materiale di rivestimento. Soltanto allora la luce sarà riflessa nell’interfaccia e rimarrà intrappolata nel nucleo del liquido stesso.
Allo stesso tempo, tutti gli ingredienti devono essere termicamente stabili. “I due componenti della fibra devono passare insieme attraverso il nostro ‘spinneret’ (lo scienziato utilizza appositamente in lingua inglese il nome proprio delle ghiandole filatrici dei ragni, ndr) in condizioni di alta pressione e a 200-300 gradi Celsius di temperatura”.
E ancora: “Di conseguenza, abbiamo bisogno di una sostanza allo stato liquido con un indice di rifrazione adatto alla funzionalità da noi richiesta e con la più bassa pressione di vapore possibile per produrre la fibra”.
Il team svizzero ha deciso per un’anima liquida di glicerolo e per una guaina realizzata in un particolare fluoropolimero.

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L’allungamento “liquido” è reversibile fino al 10 per cento

L’esperimento è stato un vero successo: la fibra prodotta dall’équipe sangallese dell’EMPA può sopportare fino al dieci per cento di allungamento e poi ritornare alla sua lunghezza originale, condizione che nessun’altra fibra ottica a nucleo solido è in grado di rispettare…
Ma la fibra non è soltanto estremamente estensibile: essa può anche fornire la misura di quanto è stata allungata.
Rudolf Hufenus e i ricercatori che a lui fanno capo hanno aggiunto una piccola quantità di colorante fluorescente al glicerolo e hanno esaminato le proprietà ottiche di questa fibra luminescente durante il processo di allungamento.
Il 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 una piccola mutazione nel colore della luce emessa, che può essere misurata usando un’apparecchiatura elettronica adatta.
Così facendo, 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 usate non soltanto per la trasmissione del segnale e per i rilevamenti, ma anche per la trasmissione della forza nei micromotori e nella microidraulica”, dice ancora Rudolf Hufenus.
L’esatta composizione della guaina della fibra e del riempimento potrà infatti essere adattata per soddisfare i requisiti dell’applicazione specifica.

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