Fasern mit flüssigem Kern

Daten und Signale lassen sich mit Glasfasern schnell und zuverlässig übertragen – so lange die Faser nicht bricht. Eine starke Biegung oder Zug­belastung kann sie schnell zerstören. Ein Empa-Team hat nun eine Faser mit flüssigem Glycerin-Kern entwickelt, die sehr viel robuster ist und Daten ebenso sicher übertragen kann. Und aus solchen Fasern lassen sich sogar mikro­hydraulische Bauteile und Licht­sensoren bauen.

„In Sachen optisch leitender Polymerfasern haben wir schon alles Mögliche ausprobiert“, sagt Rudolf Hufenus. „Aber selbst mit den besten festen Faserkernen erreichen wir nie eine solche Elastizität wie mit unserer flüssig gefüllten Faser.“ Die besondere Kombination aus optischen und mechanischen Eigenschaften könnte der Zweikomponenten­faser nun neue Marktnischen eröffnen. Glasfaser­kabel sind für die Datenübertragung über lange Strecken ideal. Die Technik ist erprobt und wird in großem Maßstab eingesetzt. Doch Glasfasern lassen sich nur bedingt biegen und reagieren sehr empfindlich auf Zugbelastung. Denn wenn der gläserne Kern der Faser reißt, ist es mit der Daten­übertragung vorbei.

Kunststoff­fasern werden typischerweise für kürzere Übertragungs­strecken eingesetzt: für einzelne Gebäude, Firmen­areale oder in Fahrzeugen. Der Kern dieser Fasern besteht oft aus PMMA – Plexiglas – oder aus dem Kunststoff Polycarbonat. Diese trans­parenten Materialien sind zwar biegsamer als Glas, aber fast ebenso empfindlich gegen Zugkräfte. „Sobald sich ein Mikroriss im Faserkern bildet, wird Licht daran gestreut und geht verloren“, erläutert Hufenus. „Die Daten­übertragung wird also zunächst schlechter, später kann der Faserkern an dieser geschwächten Stelle sogar ganz reißen.“ 

Seit sieben Jahren steht in den Labors der Forschungs­abteilung „Advanced Fibers“ in St. Gallen eine Maschine, die kilometer­lange, mit Flüssigkeit gefüllte Fasern herstellen kann. Für die Lichtleitung in Hohlfasern mit Flüssig­kern ist der Unterschied des Brechungs­index zwischen der Flüssigkeit und dem trans­parenten Mantel­material entscheiden: 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 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.

Empa / JOL

Weitere Infos

• Advanced Fibers, Forschungszentrum für Materialwissenschaften Empa, St. Gallen, Schweiz