Flüssiger Faserkern mit Tradition

Könnte man diesen flüssigen Kern nicht auch zur Lichtübertragung nutzen? überlegte sich der Empa-Forscher. Er steht damit in guter Schweizerischer Tradition: Es war der Genfer Physiker Jean-Daniel Colladon, der 1842 erstmals Licht im Inneren eines Wasserstrahls entlang leitete – und damit eine der physikalischen Grundlagen für die heutige Glasfasertechnik entdeckte.

Für die Lichtleitung in Hohlfasern mit Flüssigkern muss nun aber wieder alles zusammenpassen. Entscheidend ist der Unterschied des Brechungsindex zwischen der Flüssigkeit und dem transparenten Mantelmaterial: Der Brechungsindex der Flüssigkeit muss deutlich grösser sein als der des Mantelmaterials. Nur dann wird das Licht an der Grenzfläche sauber gespiegelt wird und bleibt innerhalb des Flüssigkerns gefangen.

Zugleich müssen alle Zutaten temperaturstabil sein. «Die beiden Komponenten der Faser müssen zusammen unter hohem Druck und bei 200 bis 300 Grad Celsius durch unsere Spinndüse laufen», sagt der Empa-Forscher. «Wir brauchen also eine Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex für die Funktionalität und mit möglichst geringem Dampfdruck für die Herstellung der Faser.» Das Team entschied sich für einen Flüssigkern aus Glycerin und eine Hülle aus einem Fluoropolymer.

Das Experiment gelang: Die erzeugte Faser hält bis zu zehn Prozent Dehnung aus und findet dann wieder in ihre Ursprungslänge zurück – das kann keine andere optische Festkernfaser!

Doch die Faser ist nicht nur extrem dehnbar, sie kann auch messen, wie weit sie gedehnt wurde. Hufenus und sein Team versetzten das Glycerin mit einer kleinen Menge fluoreszierenden Farbstoffs und untersuchten die optischen Eigenschaften dieser Leuchtfaser während des Dehnungsvorgangs. Ergebnis: Beim Dehnen der Faser verlängert sich der Weg des Lichts, die Zahl der Farbstoffmoleküle in der Faser bleibt hingegen konstant. Dies führt zu einer kleinen Farbänderung des abgestrahlten Lichts, die man durch geeignete Elektronik messen kann. So kann die flüssig gefüllte Faser eine Längenänderung oder eine auftretende Zugbelastung anzeigen.

«Wir erwarten, dass sich unsere flüssig gefüllten Fasern nicht nur für Signalübertragung und Sensorik, sondern auch für Kraftübertragung in der Mikromotorik und Mikrohydraulik einsetzen lassen», sagt Hufenus. Die exakte Zusammensetzung von Faserhülle und Füllung kann dann spezifisch auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.