Kabel mit Feingefühl

MIT-Forscher haben optische Fasern entwickelt, die nicht nur Licht transportieren, sondern auch auf Druckunterschiede reagieren können.

Lichtwellenleiter sind aus der Telekommunikations- und Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. In den Augen mancher Ingenieure haben sie jedoch ein Manko: Sie sind statische Gebilde, die nur Photonen transportieren können und sonst nichts. Forscher am MIT haben nun optische Fasern entwickelt, die auch auf Druckunterschiede reagieren und damit ihre Eigenschaften verändern können. „Wir wollen die Komplexität und die Raffinesse von optischen Fasern erhöhen“, sagt Yoel Fink, Materialwissenschaftler am MIT.

Finks Gruppe war es zuvor schon gelungen, in optischen Fasern licht- und hitzeempfindliche Stoffe zugleich einzuarbeiten und daraus etwa Kameras zu machen. Nun haben die Wissenschaftler ein piezoelektrisches Polymer eingearbeitet. Dessen molekulare Struktur wandelt ein elektrisches Signal in eine mechanische Verformung um und umgekehrt, so dass sich die Dicke des Lichtwellenleiters ändert. Aus den Multifunktionsfasern könnten also sowohl medizinische Sensoren als auch Datendisplays für „intelligente“ Textilien entstehen.

Die technische Schwierigkeit bei solchen Mehrkomponentenfasern liegt darin, die verschiedenen Schichten exakt anzuordnen. Zudem müssen bei der Herstellung die richtigen Bedingungen herrschen, damit die Materialien die gewünschte Eigenschaft zeigen. Finks Gruppe hat hierfür ein Verfahren entwickelt, um zuerst dicke „Rohlinge“ aus Polymeren und Metallen zu erzeugen, die dann zu Kilometer-langen Fasern gedehnt werden.

Entscheidend für diese Methode ist, dass die zusammen verwendeten Stoffe denselben Schmelzpunkt und dasselbe Fließverhalten haben. Die Rohlinge der Piezo-Fasern haben einen Durchmesser von 40 Millimeter. Die piezoelektrische Schicht entsteht aus einem sich abkühlenden Polymer mit der Bezeichnung P(VDF-TrFE), das ist eine fluorhaltige Vinylverbindung. Als Lichtwellenleiter-Komponente der Faser wird ein Polycarbonat verwendet.

Beim Erhitzen und Dehnen schrumpft die Dicke der Schichten um sechs Größenordnungen, von Millimetern auf Nanometer. Das Verhältnis der Schichtdicken zueinander bleibt jedoch unverändert.

„Es ist sehr schwierig, neue Funktionen zu integrieren, in dem verschiedene Materialien zusammen verarbeitet, und diese Arbeit ist da ein großer Schritt nach vorne“, urteilt Ritesh Agarwal, Materialwissenschaftler an der Universität von Pennsylvania. Es sei beeindruckend, dass die piezoelektrische Schicht ihre Eigenschaften beim Dehnvorgang behalte.

Die fertige Faser besteht aus dem lichtleitenden Kern, der piezoelektrischen Schicht und Indium-Elektroden, die sich als schmale Stränge auf zwei Seiten durch die Faser ziehen (siehe Bild). Über die können die MIT-Forscher elektrische Signale durch das Kabel in die Piezoschicht schicken, so dass sich die Faser zum Beispiel zusammenzieht. Dabei entstehen wiederum Schwingungen, die sich als Schallwellen nutzen lassen. Wird umgekehrt die Faser irgendwo eingequetscht, erzeugt die Piezoschicht ein elektrisches Signal.

Yoel Fink hat hierfür verschiedene Anwendungen im Sinn. In Teppiche eingewoben könnte man mit ihrer Hilfe zählen, wie viele Personen darüber laufen. Am wichtigsten könnte eine Anwendung in der Biomedizin sein, glaubt Fink. Weil die Fasern dünner als ein Mikrometer sind, könnte man sie in Blutgefäße und sogar in Organe einführen. Dort könnten sie dann den Herzschlag, den Blutfluss oder die Menge von Biomarkern im Blut messen. Da sie sowohl Infrarotlicht als auch Schallwellen transportieren können, ließen sich in den Fasern die Möglichkeiten eines Ultraschallgeräts, eines Herzmonitors und eines chemischen Spektrometers kombinieren.

„Durch die vollständige Integration der piezoelektrischen Schicht und des Lichtwellenleiters wird ein viel kleinerer Sensor möglich“, lobt Juan Hinestroza, Leiter des Labors für Textil-Nanotechnologie an der Cornell University, das Konzept. „Das ist gerade in engen Blutgefäßen sehr wichtig.“

Mit Hilfe der Piezoschicht lassen sich zudem die optischen Signale im Kern der Faser modulieren. Finks Gruppe hat auch eine weitere Faser entwickelt, die zusätzlich noch eine spiegelnde Schicht enthält. Je nach deren Dicke reflektiert sie nur bestimmte Wellenlängen.

Schickt man ein elektrisches Signal durch die Faser, verformt sich die Piezoschicht und staucht die Spiegelschicht. Damit ändert sich aber die charakteristische Wellenlänge, die sie reflektiert. In Textilgewebe eingearbeitet, könnten solche Fasern verschiedene Farbmuster erzeugen. „Damit könnten Sie dann Information aus einem Kleidungsstück oder einer anderen Oberfläche auslesen, in die man die Faser eingebettet hat“, sagt Fink.

Das Paper:
Egusa , S. et al., „Multimaterial piezoelectric fibres“, Nature Materials, Online-Publikation, 11.7.2010 (Abstract). (nbo)