Data och signaler kan överföras snabbt och tillförlitligt med glasfibrer – så länge fibern inte går sönder. Stark böjning eller dragspänning kan snabbt förstöra den. Ett Empa-team har nu utvecklat en fiber med en flytande glycerolkärna som är mycket mer robust och kan överföra data lika tillförlitligt. Och sådana fibrer kan till och med användas för att bygga mikrohydrauliska komponenter och ljussensorer.

"När det gäller optiskt ledande polymerfibrer, vi har provat alla möjliga saker, " säger Rudolf Hufenus. "Men även med de bästa solida fiberkärnorna, vi kan aldrig uppnå en sådan elasticitet som med vår vätskefyllda fiber." Den speciella kombinationen av optiska och mekaniska egenskaper skulle nu kunna öppna upp nya marknader för Empas tvåkomponentsfiber vid sidan av den etablerade glasfibern.

Fiberoptiska kablar är idealiska för dataöverföring över långa avstånd. Tekniken är beprövad och används i stor skala. Men glasfibrer kan bara böjas i begränsad omfattning och är mycket känsliga för dragpåkänningar. Plastfibrer, å andra sidan, används vanligtvis för kortare överföringsavstånd:för enskilda byggnader, företagslokaler eller i fordon. Kärnan i dessa fibrer är ofta gjord av PMMA - även känd som plexiglas - eller polymeren polykarbonat. Även om dessa genomskinliga material är mer flexibla än glas, de är nästan lika känsliga för dragkrafter. "Så snart en mikrospricka bildas i fiberkärnan, ljuset sprids av det och går förlorat, " Hufenus förklarar. "Så dataöverföringen försämras initialt, och senare, fiberkärnan kan till och med gå sönder helt vid denna försvagade punkt."

Det är här Empas expertis kommer in i bilden:Under de senaste sju åren, labbet Advanced Fibers i St. Gallen har varit hem för en maskin som kan producera kilometerlånga fibrer fyllda med en vätska. Med denna expertis, Empa är världsledande. "Tvåkomponentsfibrer med en solid kärna har funnits i mer än 50 år, " säger Hufenus. "Men att tillverka en kontinuerlig flytande kärna är betydligt mer komplicerat. Allt måste vara perfekt."

Empa-forskaren undrade:Skulle inte denna flytande kärna också kunna användas för ljustransmission? Det var Geneve-fysikern Jean-Daniel Colladon som först ledde ljus längs insidan av en vattenstråle 1842 – och därmed upptäckte en av de fysiska grunderna för dagens fiberoptiska teknik.

För ljusledning i ihåliga fibrer med vätskekärna, dock, allt måste nyjusteras. Skillnaden i brytningsindex mellan vätskan och det transparenta beklädnadsmaterialet är avgörande:Vätskans brytningsindex måste vara betydligt större än beklädnadsmaterialets. Först då kommer ljuset att reflekteras vid gränsytan och förbli instängt i vätskekärnan.

På samma gång, alla ingredienser måste vara termiskt stabila. "Fiberns två komponenter måste passera genom vår spinndysa tillsammans under högt tryck och vid 200 till 300 grader Celsius, " säger Empa-forskaren. "Så vi behöver en vätska med ett lämpligt brytningsindex för funktionalitet och med lägsta möjliga ångtryck för att producera fibern." Teamet bestämde sig för en flytande kärna gjord av glycerol och en mantel gjord av en fluorpolymer.

Stor reversibel förlängning

Experimentet var en framgång:fibern som Empa-teamet producerade tål upp till tio procents förlängning och återgår sedan till sin ursprungliga längd – ingen annan optisk fiber med solid kärna kan göra det.

Men fibern är inte bara extremt töjbar, den kan också mäta hur långt den har sträckts. Hufenus och hans team lade till en liten mängd av ett fluorescerande färgämne till glycerolen och undersökte de optiska egenskaperna hos denna självlysande fiber under sträckningsprocessen. Resultatet:När fibern sträcks, ljusets väg förlängs, men antalet färgämnesmolekyler i fibern förblir konstant. Detta leder till en liten förändring i färgen på det utsända ljuset, som kan mätas med lämplig elektronik. Således, den vätskefyllda fibern kan indikera en förändring i längd eller en dragbelastning som uppstår.

"Vi förväntar oss att våra vätskefyllda fibrer inte bara kan användas för signalöverföring och avkänning, men också för kraftöverföring i mikromotorer och mikrohydraulik, " säger Hufenus. Den exakta sammansättningen av fibermanteln och fyllningen kan sedan anpassas för att möta kraven för den specifika applikationen.