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Fibres

Ligne de données en glycérine

29 juil. 2021 | RAINER KLOSE

Les données et les signaux peuvent être transmis rapidement et de manière fiable avec les fibres de verre - tant que la fibre ne se brise pas. Une forte contrainte de flexion ou de traction peut rapidement la détruire. Une équipe de l'Empa a maintenant développé une fibre avec un noyau de glycérol liquide qui est beaucoup plus robuste et peut transmettre des données de manière tout aussi fiable. Et ces fibres peuvent même être utilisées pour fabriquer des composants microhydrauliques et des capteurs de lumière.

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Le coeur de la fibre optique d’un kilomètre de long est entièrement composé de glycérine. Image: Empa

"En ce qui concerne les fibres polymères optiquement conductrices, nous avons essayé toutes sortes de choses", déclare Rudolf Hufenus. "Mais même avec les meilleurs noyaux en fibre solide, nous ne pourrons jamais atteindre une telle élasticité qu'avec notre fibre remplie de liquide." La combinaison particulière de propriétés optiques et mécaniques pourrait maintenant ouvrir de nouvelles niches de marché pour la fibre à deux composants de l'Empa.

Pour comprendre ce qui est en jeu, un bref tour d'horizon s'impose : les câbles à fibres optiques sont idéaux pour la transmission de données sur de longues distances. La technologie est éprouvée et utilisée à grande échelle. Mais les fibres de verre ne peuvent être pliées que dans une mesure limitée et sont très sensibles aux contraintes de traction. Si le cœur en verre de la fibre se déchire, la transmission des données est terminée.

Les fibres plastiques sont généralement utilisées pour des distances de transmission plus courtes : pour les bâtiments individuels, les locaux d'entreprise ou dans les véhicules. Le cœur de ces fibres est souvent constitué de PMMA - également connu sous le nom de plexiglas - ou du plastique polycarbonate. Ces matériaux transparents sont plus flexibles que le verre, mais presque aussi sensibles aux forces de traction. "Dès qu'une microfissure se forme dans le cœur de la fibre, la lumière est diffusée par la fissure et est perdue", explique Rudolf Hufenus. "Ainsi, la transmission des données se détériore dans un premier temps, et plus tard, le cœur de la fibre peut même se déchirer complètement."

C'est là que le savoir-faire de l'Empa entre en jeu : depuis sept ans, les laboratoires du département de recherche "Advanced Fibers" à Saint-Gall disposent d'une machine capable de produire des fibres d'un kilomètre de long remplies de liquide. Ce savoir-faire fait de l'Empa un leader mondial. "Les fibres à deux composants avec un noyau solide existent depuis plus de 50 ans", explique Rudolf Hufenus. "Mais la fabrication d'un noyau liquide continu est considérablement plus complexe. Il faut que tout s'emboîte parfaitement pour que ça marche."

Ce noyau liquide ne pourrait-il pas aussi être utilisé pour la transmission de la lumière ? s'est demandé le chercheur de l'Empa. C'est le physicien genevois Jean-Daniel Colladon qui, en 1842, a conduit pour la première fois la lumière à l'intérieur d'un jet d'eau - et a ainsi découvert l'un des fondements physiques de la technologie actuelle de la fibre de verre.

Pour la conduction de la lumière dans les fibres creuses avec un noyau liquide, cependant, tout doit être remis en place. La différence d'indice de réfraction entre le liquide et le matériau de revêtement transparent est cruciale : l'indice de réfraction du liquide doit être nettement supérieur à celui du matériau de revêtement. Ce n'est qu'alors que la lumière sera proprement réfléchie à l'interface et restera piégée dans le noyau liquide.

En même temps, tous les ingrédients doivent être stables en température. "Les deux composants de la fibre doivent passer ensemble dans notre buse de filage sous haute pression et à une température de 200 à 300 degrés Celsius", explique le chercheur de l'Empa. "Nous avons donc besoin d'un liquide avec un indice de réfraction approprié pour la fonctionnalité et avec la pression de vapeur la plus basse possible pour la production de la fibre." L'équipe a opté pour un noyau liquide composé de glycérol et une gaine en fluoropolymère.

Jusqu'à 10 % d'allongement réversible
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L’équipe de Rudolf Hufenus est un leader mondial dans la production de fibres remplies de liquide. Image: Empa

L'expérience a réussi : la fibre produite peut supporter jusqu'à dix pour cent d'allongement et revient ensuite à sa longueur initiale - aucune autre fibre optique à noyau solide ne peut faire cela !

Mais la fibre n'est pas seulement extrêmement extensible, elle peut aussi mesurer la distance à laquelle elle a été étirée. Rudolf Hufenus et son équipe ont ajouté une petite quantité de colorant fluorescent au glycérol et ont étudié les propriétés optiques de cette fibre luminescente pendant le processus d'étirement. Résultat : lorsque la fibre est étirée, le trajet de la lumière est allongé, mais le nombre de molécules de colorant dans la fibre reste constant. Cela entraîne une légère modification de la couleur de la lumière émise, qui peut être mesurée à l'aide d'une électronique appropriée. De cette façon, la fibre remplie de liquide peut indiquer un changement de longueur ou une charge de traction qui se produit.

"Nous pensons que nos fibres remplies de liquide pourront être utilisées non seulement pour la transmission et la détection de signaux, mais aussi pour la transmission de force dans les domaines du micromoteur et de la microhydraulique", explique Rudolf Hufenus. La composition exacte de la gaine de la fibre et du remplissage peut alors être spécifiquement adaptée aux exigences de l'application en question.

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