Виявляється, оптоволокну теж зовсім не обов’язково бути круглим. Вчені зі Швеції та Великої Британії створили незвичайне пласке оптоволокно у формі тонкої скляної стрічки, яке може реагувати на фізичні зміни значно сильніше за звичайні волокна. Нову конструкцію назвали High Aspect Ratio Flat Fiber (HARFF). Під час експериментів вона продемонструвала до 1000 разів вищу чутливість до тиску в порівнянні з одним із традиційних типів оптоволокна.
І це не просто лабораторна ідея на папері. Дослідникам уже вдалося витягнути понад 120 метрів такого незвичайного волокна з однієї заготовки, показавши, що технологію потенційно можна масштабувати.
Чому пласке виявилося кращим за кругле?
Оптичне волокно зазвичай асоціюється з інтернетом — тонкою скляною ниткою, якою передаються світлові сигнали. Але те саме волокно може працювати як надзвичайно чутливий сенсор.
Коли його розтягують, стискають або нагрівають, властивості скла трохи змінюються. Ці зміни впливають на світло всередині волокна, і за ними можна визначити, що саме відбувається із матеріалом. Проблема традиційного круглого волокна полягає в тому, що воно чудово реагує на сили вздовж своєї осі, але значно гірше відчуває тиск, який діє з боків.
Тому дослідники пішли іншим шляхом — не стали деформувати кругле волокно, а одразу створили його пласким. Співвідношення ширини до товщини в деяких варіантах HARFF наближається до 20:1. Така форма дозволяє спеціально налаштовувати місця, де скло буде сильніше деформуватися під дією зовнішньої сили.
Скляна стрічка буквально «відчуває» тиск
Усередині нового волокна дослідники сформували два довгі повітряні канали. Коли зовнішній тиск змінюється, асиметрична конструкція деформується, змінюючи оптичні властивості скла. Вчені використовували спеціальні структури — волоконні бреггівські ґратки — щоб відстежувати ці зміни за поведінкою світла.
Під час випробувань у спеціальній камері сенсор перевіряли при тиску до 0,40 МПа. Отримані результати виявилися настільки чутливими, що дослідники говорять про перевагу до трьох порядків величини над деякими традиційними конструкціями. Але на цьому можливості HARFF не закінчуються.
Одне волокно — для тиску, температури й не тільки
В іншому експерименті один із внутрішніх каналів заповнили сплавом на основі олова. Метал і скло по-різному розширюються при нагріванні. Через це всередині волокна виникають додаткові механічні напруження, які знову ж таки змінюють поведінку світла.
У результаті ту саму платформу вдалося використати для надчутливого вимірювання температури. Фактично дослідники перетворили геометрію волокна на ще один інструмент. Змінюючи його ширину, товщину, внутрішні канали та матеріали всередині них, можна створювати сенсори під конкретні завдання.
Де це може знадобитися?
У майбутньому подібні волокна можуть використовуватися там, де звичайні електронні датчики незручні або займають занадто багато місця. Наприклад, їх можна вбудовувати у крила літаків, дрони, мости, композитні конструкції або акумуляторні системи, щоб постійно контролювати навантаження, тиск і температуру.
Є й інша важлива перевага: оптичні сенсори легкі, компактні та не реагують на електромагнітні перешкоди. Втім, до масового використання технології ще далеко. Наразі HARFF залишається прототипом. Дослідникам потрібно зменшити оптичні втрати та вдосконалити контроль форми волокна.
Та головне вже продемонстровано: змінивши звичну круглу форму скла на пласку, вчені отримали абсолютно новий простір для створення надчутливих сенсорів. Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.