Финские ученые создали оптическое волокно из целлюлозы и проверили некоторые его физические свойства и чувствительность к изменениям влажности. Свет быстро затухал (6,3 децибел на сантиметр), однако в воде это значение увеличивалось, что делает материал пригодным для создания датчиков. Исследование опубликовано в журнале Cellulose.
Оптические волокна встречаются в нашей жизни повсеместно: от сетей передачи данных до сенсорных устройств. За счет полного внутреннего отражения внутри волокна фотоны могут преодолевать большие расстояния с высокой скоростью, а отсутствие необходимости в электрической энергии дает в некоторых областях волоконно-оптическим датчикам преимущества перед электрическими. Для наилучшей эффективности внутреннего отражения хорошо проводящий материал с высоким показателем преломления покрывают материалом с низким показателем, что позволяет свету перемещаться по волокну без рассеивания.
Чаще всего такие волокна делают из стекла и полимерных материалов, однако диоксид кремния слишком хрупкий, а пластик загрязняет окружающую среду и, более того, такие вещества не всегда можно приспособить для применения в качестве датчиков, так как газ или вода не всегда могут попасть в такое оптоволокно. Поэтому ученые ищут альтернативные материалы для создания оптических волокон. Хоть способность стеблей растений проводить свет уже изучали, до сих пор растительный материал не рассматривали в качестве подходящего кандидата для этих целей.
Ханнес Орелма (Hannes Orelma) с коллегами из технического исследовательского центра Финляндии VTT создали оптическое волокно из восстановленной целлюлозы в качестве основы с высоким показателем преломления, покрытой ацетатом целлюлозы с низким показателем, и проверили его способность проводить свет для детектирования изменения влажности.
Волокна восстановленной целлюлозы получали мокрым способом: раствор целлюлозы в ацетате 1-этил-З-метилимидазолия раскручивался, проходил через маленькое (диаметром 0,41 микрона) отверстие и застывал, попадая в воду. Затем волокно термомеханически покрыли ацетатом целлюлозы, присоединили к источнику света и изучали его оптические свойства на воздухе и в воде с помощью спектроскопии видимой и ультрафиолетовой областей спектра.
Предел прочности полученного волокна при растяжении достигал 120 мегапаскалей. Оптоволокно проводило свет в диапазоне длин волн от 500 до 1400 нанометров, в ультрафиолетовой области полностью поглощался. Затухание света длиной волны 1300 нанометров на воздухе составило 6,3 децибел, а в воде увеличилось до 30 децибел и зависело от длины волокна.
Эти значения намного превышают показатели затухания оптоволокна для телекоммуникации, которые достигают сотых долей децибел на километр, поэтому оптоволокно из целлюлозы не подойдет для этих целей. По словам авторов, целлюлозное оптическое волокно может найти применение в создании датчиков, для которых важна гибкость и термическая устойчивость материала, из которого он сделан.
Целлюлоза нашла применения и в других областях. Около года назад ученые создали ткань на основе волокон целлюлозы, способную адаптироваться к повышению температуры тела. Сингапурские ученые нашли способ создания легких и прочных изделий из целлюлозы размерами до одного метра с помощью 3D-печати чернилами на ее основе. А разработанная американскими учеными пена из наноцеллюлозы оказалась отличным материалом для теплоизоляции.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение