La prima fibra ottica realizzata con il legno

I ricercatori finlandesi hanno realizzato una fibra ottica interamente in cellulosa, molto più economica e più rispettosa dell’ambiente.

Un team di ricercatori del VTT Technical Research Centre della Finlandia (Espoo, Finlandia) hanno creato una fibra ottica a base di legno che trasmette luce nell’intervallo spettrale.  Da 500 a 1300 nm, con un’attenuazione di 6,3 dB / cm a 1300 nm.  Gli esperti affermano che la fibra ottica di cellulosa è più adatta per i sensori che beneficiano della biodegradabilità del materiale. Potrebbe consentire  in futuro di rilevare variazioni del livello di umidità degli edifici.

Nel 2016, si parlava di una mappa completa dei cavi ottici sottomarini . Ce ne sono circa 300, che collegano tutti i continenti su una distanza di quasi 1,2 milioni di chilometri quadrati. Questi cavi hanno generalmente un diametro massimo di 8 cm (per un peso di 10 kg / m) e integrano diverse fibre ottiche che operano in coppia (una per ogni direzione di trasmissione).

La loro velocità è vicina a 4 terabit (Tbit) per coppia, che è 200.000 volte maggiore della velocità di una connessione ADSL convenzionale. Ogni 100 km è presente un ripetitore, il suo ruolo è quello di ripetere ed emettere nuovamente il segnale che si indebolisce dopo una certa distanza.

Questi milioni di cavi sono generalmente costituiti da un “nucleo” di vetro e plastica , e che hanno eccellenti proprietà ottiche, quindi sono coperti con una guaina con un indice di rifrazione inferiore per guidare la luce verso al suo interno. Sfortunatamente, questi materiali sono spesso costosi e non rinnovabili.




Fatto sta che al giorno d’oggi questa tecnologia consente a un gran numero di esseri umani di essere connessi alla banda larga.  E, ulteriormente, trova spazio anche in applicazioni in campo medico, trasporti, illuminazione o persino nel settore militare.

Il legno che guida la luce

I ricercatori del Centro Nazionale di ricerca tecnico della Finlandia – VTT (acronimo di  Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus ) si rivolse a un materiale più ecologico, biodegradabile ed economico: il legno . Hanno sviluppato una fibra ottica composta al 100% da cellulosa . Il legno non è tuttavia particolarmente noto come un buon conduttore di luce. Negli ultimi anni, tuttavia, siamo riusciti a rendere trasparente il legno , eliminando la sua lignina e mescolandolo con un polimero trasparente .

Il nucleo della fibra è stato modificato in cellulosa usando solventi ionici sviluppati da VTT; attorno al nucleo è presente un rivestimento in acetato di cellulosa.  Ma per ora la ricerca è ancora nelle sue fasi iniziali, quindi non si conoscono ancora tutte le applicazioni a cui la nuova fibra ottica potrebbe prestarsi.

Anche se oggi la maggior parte delle materie plastiche si basa su molecole di idrocarburi, le primissime materie plastiche si basavano sulla cellulosa vegetale. La cellulosa ha proprietà che possono facilmente reagire con le sostanze e assorbirle. Rispetto alle tradizionali fibre di vetro o plastica, presenta una maggiore fluidità.  Può assorbire e rilasciare facilmente l’acqua. Può essere misurato dalla variazione dell’attenuazione della luce trasmessa nella fibra.

Inoltre può essere facilmente modificata rispetto a fattori come l’indice di rifrazione. È uno dei motivi principali per cui la luce è in grado di viaggiare nella fibra. Il nucleo è racchiuso in un materiale di rivestimento che ha un indice di rifrazione inferiore. Ciò significa che la luce può essere riflessa nel nucleo dall’interfaccia tra il nucleo e il rivestimento.
La cellulosa è anche un materiale biodegradabile, il che significa che la fibra può essere smaltita con rifiuti organici.

Un materiale ecologicamente reattivo

La fibra ottica emette luce attraverso il fenomeno noto come riflessione interna totale. Un’anima in fibra – in genere vetro di silice ultra-pura – con un indice di rifrazione relativamente elevato è circondata da uno strato di rivestimento con un indice di rifrazione leggermente inferiore.

La luce laser sparata all’estremità del nucleo di fibra si propaga lungo la fibra, rimbalzando dal confine tra il nucleo ad alto indice e il rivestimento a basso indice. Il team VTT, guidato dallo scienziato Hannes Orelma, pensava che potesse esserci spazio per la cellulosa, il polimero organico che forma un componente strutturale chiave del legno e delle piante verdi, come materiale in fibra ottica.

Uno dei motivi è che i processi chimici coinvolti nel lavoro con la cellulosa lo rendono suscettibile di modificare l’indice di rifrazione. La cellulosa assorbe anche l’acqua e reagisce attivamente (e spesso in modo reversibile) con altre sostanze, aumentando la possibilità di applicazioni con sensori. E il materiale è biodegradabile, il che indica un potenziale utilizzo ecologico nei sensori monouso.

Rilevare perdite d’acqua usando la luce

Ma l’obiettivo dei ricercatori finlandesi non è quello di competere con i milioni di chilometri di cavi che fiancheggiano gli oceani. Grazie al suo basso costo, potrebbe essere prima utilizzato in medicina , dove la sua biocompatibilità è anche un vantaggio. Ma soprattutto potrebbe essere  un sensore eccellente. Le fibre ottiche possono essere utilizzate per misurare i cambiamenti di temperatura, campi magnetici , umidità o per rilevare la presenza di sostanze chimiche. Ma questo richiede un trattamento speciale per renderli sensibili all’assorbimento di gas o liquidi .

Nel loro studio, i ricercatori hanno testato la capacità della loro fibra di cellulosa di rilevare un cambiamento di umidità. Hanno immerso 20 mm di fibra nell’acqua e hanno notato un improvviso calo dell’intensità della luce trasmessa in meno di 10 minuti. Una volta fuori dall’acqua, la fibra si asciuga e ritorna al suo livello originale in 20 minuti. Integrando la fibra in un edificio, potremmo così rilevare una perdita o un degrado in tempo reale.

Lo sviluppo della fibra ottica è iniziato nel programma iBex di VTT , che consente ai ricercatori coinvolti di implementare soluzioni affascinanti per le sfide globali. Attualmente, la ricerca e sviluppo continua nel programma faro di FinnCERES in collaborazione con VTT e Aalto University.

 

Felicia Bruscino

 

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