“Скляні нерви”: Інноваційне оптоволокно відкриває нові горизонти для моніторингу
Оптичні волоконні лінії зв’язку вже давно зарекомендували себе як ефективні інструменти для відстеження сейсмічної активності. Для цього достатньо стандартного обладнання, оскільки фізика розповсюдження світла у волокні та спеціалізовані алгоритми виконують основну роботу. Однак, останні дослідження виявили, що модифікація форми оптоволокна може підвищити чутливість таких датчиків у вражаючі 1000 разів. Це відкриває шлях до створення справжніх “скляних нервів”, інтегрованих у батареї, літальні апарати, різноманітну техніку та конструкції, наділяючи їх здатністю відчувати навколишній світ та власні зміни.
Джерело зображення: KTH Royal Institute of Technology
Про цю революційну розробку повідомили науковці зі Шведського королівського технологічного інституту KTH (KTH Royal Institute of Technology), а також дослідники з двох британських університетів — Саутгемптонського (Southampton) та Бристольського (Bristol). Вони представили інноваційне пласке оптоволокно, яке само по собі трансформується на надчутливий датчик тиску та температури. Ця нова платформа отримала назву HARFF (High Aspect-Ratio Flat Fiber), що означає “пласке волокно з великим співвідношенням ширини до товщини”.
На відміну від традиційного круглого оптоволокна, HARFF має витягнутий, майже стрічковий переріз чотирикутної форми. Воно також може включати повітряні канали, декілька світловодів або вставки з інших матеріалів. Така унікальна геометрія суттєво змінює механічну реакцію кварцового скла на поперечне навантаження. Експериментальний датчик тиску, створений на його основі, продемонстрував чутливість, яка перевищує аналогічні пристрої на базі звичайного круглого кварцового волокна до трьох порядків.
Для експериментальних зразків плаского оптоволокна було досягнуто співвідношення ширини до товщини приблизно 20:1. Мікроструктуровані зразки могли мати кілька паралельних світловодів. Важливою перевагою є можливість зварювання плаского волокна зі стандартним, що дозволяє легко інтегрувати його в існуюче оптичне обладнання. Іншими словами, для використання нових унікальних властивостей плаского оптоволокна не потрібне дороге додаткове “залізо”.
Для надання волокну можливості визначати температуру та тиск, у ньому створювалися мікроскопічні порожнини, а також додавалися різні метали та сплави, наприклад, олов’яні. Особливо вражаючі результати були досягнуті при вимірюванні тиску. В експерименті використовували мікроструктуроване волокно товщиною 80 мкм та шириною 655 мкм з двома внутрішніми повітряними каналами. Роздільна здатність такого датчика досягла рівня одиниць кілопаскалей.
Ті ж самі дослідники перетворили цю платформу на високочутливий термометр. Один із каналів було заповнено сплавом на основі олова з температурою плавлення близько 220 °C. При нагріванні метал розширюється, створюючи механічні напруження у склі. Це, своєю чергою, змінює коефіцієнт його заломлення, що легко фіксується за допомогою звичайного телекомунікаційного обладнання.
Розробники вважають, що пласкі волокна можуть бути інтегровані безпосередньо в композитні матеріали літаків, безпілотників, мостів та інших конструкцій. Також їх можна вбудовувати всередину акумуляторів для моніторингу розширення електродів, газоутворення та небезпечного зростання температури. Окрім промислового застосування, ця технологія має потенціал для використання в медичних системах моніторингу пацієнтів.
Порада від Soft Portal:
Ця інновація відкриває надзвичайні можливості для превентивного моніторингу та безпеки. Інтеграція таких “скляних нервів” у критично важливі конструкції та пристрої дозволить своєчасно виявляти потенційні проблеми, запобігаючи аварійним ситуаціям та продовжуючи термін експлуатації обладнання. Особливо перспективним є застосування в авіації, енергетиці та медицині, де точність і надійність моніторингу мають першочергове значення.