Coraz ciekawsza przyszłość nie polega wyłącznie na tym, żeby przez szklane włókna przepychać więcej danych. Zaczynamy nadawać samemu materiałowi dodatkowe funkcje. Niedawno pisałem o światłowodzie, który może działać jak niezwykle mały mikrofon i nasłuchiwać transformatorów, a teraz naukowcy poszli w innym kierunku. Tym razem zamiast poprawiać samą elektronikę czujnika, zabrali się za geometrię szkła. Efekt? Coś, co wygląda jak niepozorna wstążka, może pewnego dnia stać się “układem nerwowym” samolotu, mostu, drona albo nawet akumulatora.
Wzięli światłowód i zrobili z niego wstążkę
Za projektem stoją badacze z KTH Royal Institute of Technology oraz University of Southampton, którzy opracowali nową platformę HARFF, czyli High Aspect-Ratio Flat Fiber. Najprościej mówiąc, jest to światłowód krzemionkowy o bardzo szerokim i cienkim, czworokątnym przekroju. W jednym z opisanych wariantów włókno miało około 850 mikrometrów szerokości i zaledwie 40 mikrometrów grubości.
Czytaj też: Naukowcy zamrozili światłowód i osiągnęli przełom. Oddziaływanie światła i dźwięku wzrosło jak szalone
Ważne jest przy tym jedno – naukowcy nie wzięli zwykłego okrągłego światłowodu i nie przejechali po nim walcem. Płaski kształt został zaprojektowany od początku i uzyskany w procesie produkcyjnym łączącym m.in. metodę stack-and-draw z laserową obróbką szkła. Dzięki temu wewnątrz można tworzyć konkretne mikrostruktury, np. kanały powietrzne, a później nawet wypełniać je innymi materiałami. Zespół zdołał wytworzyć ponad 100 metrów takiego włókna, więc nie mówimy wyłącznie o mikroskopijnym fragmencie przygotowanym pod jedno laboratoryjne zdjęcie.
Cały pomysł uważam za interesujący właśnie dlatego, że kształt przestaje być tutaj opakowaniem dla czujnika. Kształt jest bezpośrednio częścią samego czujnika.
1000 razy wyższa czułość nie wzięła się z lepszej elektroniki
Typowy okrągły światłowód dobrze radzi sobie z wykrywaniem naprężeń działających wzdłuż jego osi, ale gorzej wypada przy obciążeniach poprzecznych i ciśnieniu hydrostatycznym. Płaska geometria HARFF zmienia sposób, w jaki siły rozchodzą się w materiale. Dodanie odpowiednio rozmieszczonych kanałów pozwala jeszcze mocniej sterować odkształceniami szkła, a następnie odczytywać je optycznie.
Czytaj też: Dane wysyłane w bilionowej części sekundy. Światłowód wygląda przy tym jak relikt przeszłości
W laboratoryjnym demonstratorze czułość na ciśnienie była nawet o trzy rzędy wielkości wyższa od porównywanych konstrukcji opartych na okrągłym włóknie. Sam prototyp nie jest jeszcze jednak gotowym czujnikiem do użycia, bo testowy układ pracował w ograniczonym zakresie ciśnienia, a autorzy sami opisują go jako proof of concept. Innymi słowy, mamy potwierdzenie mechanizmu, a nie gotową rewolucję przemysłową.
Jednak bez względu na to, badacze pokazali, że właściwości pomiarowe światłowodu można projektować przez manipulowanie jego geometrią. Podobny kierunek widać zresztą przy nowych czujnikach dotykowych dla robotów, gdzie materiał sam koduje informacje o działającej na niego sile. Zamiast dokładać kolejne warstwy klasycznej elektroniki, zaczynamy sprawiać, że konstrukcja sama uczestniczy w pomiarze.
Ten światłowód może jednocześnie “czuć” coś zupełnie innego
Naukowcy nie zatrzymali się na ciśnieniu. Jeden z kanałów płaskiego światłowodu wypełnili stopem na bazie cyny. Szkło oraz metal rozszerzają się pod wpływem temperatury w zupełnie innym stopniu, więc zmiana temperatury powoduje powstawanie naprężeń, które można następnie wykrywać optycznie. W demonstratorze taka konstrukcja zwiększyła czułość temperaturową. Oznacza to możliwość tworzenia różnych wariantów tego samego włókna reagujących mocniej na określony bodziec. Ciśnienie, temperatura, naprężenie – zamiast projektować dla każdego z nich kompletnie osobny elektroniczny czujnik, można odpowiednio zaprojektować przekrój oraz wnętrze światłowodu.
Czytaj też: Światłowody i kwanty wreszcie się dogadały. Iterb-171 otwiera nowe możliwości komunikacji
Teraz wyobraźmy sobie np. kompozytowe skrzydło samolotu z zatopionymi podczas produkcji włóknami, które na bieżąco informują o lokalnych naprężeniach. Podobny “nerw” można wprowadzić do konstrukcji drona, mostu czy elementów maszyny i sprawić, aby zaczęły ostrzegać o zmianach zachodzących wewnątrz materiału, zanim uszkodzenie stanie się widoczne z zewnątrz. Światłowody mają tutaj dodatkową przewagę, bo są lekkie, niewielkie i niewrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne.
Jeszcze ciekawiej wygląda dla mnie zastosowanie w akumulatorach. Ciśnienie oraz temperatura wewnątrz ogniwa mogą zdradzać, że zaczyna zachodzić coś niepożądanego. Jeśli cienkie włókno będzie w stanie śledzić takie zmiany bez dokładania klasycznej elektroniki w miejscu pomiaru, to można wyobrazić sobie akumulatory, które znacznie wcześniej ostrzegają system zarządzania o rozwijającym się problemie. Na razie jest to jednak kierunek rozwoju wskazywany przez badaczy, a nie gotowe rozwiązanie produkcyjne.
Źródła: Nature Communications, KTH Royal Institute of Technology
