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Wasser als Baumaterial: Biegbare Fasern aus Eis sind tolle Lichtleiter

Eis muss nicht brüchig sein, es kann sogar sehr elastisch werden, wenn man es richtig macht. So bauten Forscher extrem dünne, biegsame Eisfasern, die sich als Lichtleiter eignen.
Biegsamer Mikrolichtleiter aus Eis

Der Bedarf an kleinen, billigen und leistungsfähigen Lichtleitern ist groß, und Forscher haben weltweit seit Langem viele Materialien getestet, um diesen Bedarf mit neuen Innovationen zu decken. An Wasser als Baustoff für optische Mikroleiter hatte allerdings wohl keiner gedacht, bis Limin Tong von der Zhejiang University in China und seine Kollegen das nachgeholt haben: Sie bastelten leistungsstarke Licht leitende Mikrofasern aus Eis, die sich auch im technischen Alltagsgebrauch durchaus bewähren könnten.

Im Fachmagazin »Science« beschreiben sie ihre Entwicklung: extrem flexible und elastische, also biegsame Mikrofasern aus gefrorenem Wasser, die Licht im Inneren reflektieren und ohne großen Verlust ähnlich gut weiterleiten wie die besseren der derzeit gängigen Glasfaserkabel. Der Herstellungsprozess sorgt dafür, dass die Mikroeisröhrchen auch dann nicht brechen, wenn sie in einen engen Kreisradius gebogen werden; zudem sind sie elastisch und biegen sich problemlos in ihre Ursprungsform zurück, ohne dabei Schaden zu nehmen.

Die Lichtleiter aus gefrorenem Wasser wuchsen in einer Kältekammer bei minus 50 Grad Celsius entlang eines elektrischen Felds heran, das von der Spitze einer Wolfram-Elektrode ausgeht, sobald die Forscher dort eine Spannung von 2000 Volt angelegt haben. Der Lichtleiter entsteht dabei, weil sich Mikro-Eiskristalle im Feld geordnet ausrichten: Sie bilden dann Fasern mit einem Durchmesser von 800 Nanometern bis 10 Mikrometern, im Durchschnitt aber meist wenigen Mikrometern.

© Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo, Limin Tong / Zhejiang University
Biegsame Lichtleiter aus Eis
Bei Minusgraden im elektrischen Feld gezüchtete Mikrofasern aus gefrorenem Wasser haben erstaunliche Materialeigenschaften – und leiten Lichtwellen extrem gut.

Diese Fasern leiten Lichtwellen aus dem Spektrum sichtbarer Wellenlängen mindestens ähnlich gut wie gängige Lichtleiter in der Chipindustrie, wie weitere Experimente zeigen. Dies dürfte daran liegen, dass die Mikrofasern sehr homogen fast ohne Störungen, Defekte oder Einschlüsse einfrieren: Unter dem Elektronenmikroskop zeigt sich, dass ihre Oberfläche aus einer Eiskristall-Einzellage über die gesamte Länge hinweg sehr glatt und einförmig erscheint.

Die Umgebungstemperatur beim Heranwachsen verändert die Materialeigenschaften der Eisfasern, beschreiben die Autoren weiter. So steigt etwa die Elastizität, wenn die Temperatur in der Kältekammer bei der Herstellung sinkt: Bei minus 100 Grad entstandene Fasern mit weniger als 5 Mikrometer Durchmesser lassen sich schließlich fast in einen Kreis mit 20 Mikrometern Radius biegen, ohne zu brechen oder unelastisch zu werden, sich also nach Wegfall der Kraft nicht mehr in die Ausgangsstellung zurückzubiegen. Über den Herstellungsprozess kann demnach die Eigenschaft des Leiters verändert werden.

Dem praktischen technischen Einsatz der aus dem billigen, überall verfügbaren Rohstoff Wasser gefrorenen Fasern stehen im Prinzip keine unüberwindbaren Hindernisse entgegen: Die Mikrofasern müssten zwar bei rund minus 30 Grad gefroren bleiben, sagt Tong auf Nachfrage von »Physics World«, aber viele gängige technische Prozesse benötigten ja ähnliche Minusgrade, etwa Hochtemperatur-Supraleiter. Die Eisfasern könnten nicht nur als Lichtleiter fungieren, sondern auch als Sensoren, etwa um Umweltverschmutzung anzuzeigen: Verunreinigungen dürften sich sehr schnell an der Oberfläche der Leiter niederschlagen und dabei die Weiterleitung unterschiedlicher Wellenlängen verändern. Spannend könnten die Mikrofasern auch für die Grundlagenforschung sein: An ihnen lassen sich etwa Phasenübergänge in der Kristallstruktur bei unterschiedlichsten Umweltbedingungen sehr gut untersuchen.

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