Ученые Института физики Казанского федерального университета совместно с представителями компании OFS – американского производителя оптических волокон, обнаружили новый механизм деградации защитного углеродного покрытия оптических волокон при их эксплуатации в экстремальных условиях. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Applied Surface Science (IF = 6.7).

Научная работа проводилась в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование нового класса нанокомпозитной керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью для оптоплазмоных приложений», которым руководит профессор кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Сергей Харинцев.

Сегодня кварцевые многомодовые оптические волокна, по словам руководителя проекта, широко используются в телекоммуникациях для передачи данных (например, в сети интернет), в качестве распределенных сенсоров – для измерения температуры, давления, механических напряжений, а также в качестве распределенных спектроскопических и акустических зондов в химически агрессивных средах при высоких давлениях и температурах, например в геологоразведке нефтяных скважин.

«При высоких температурах и давлениях окружающей среды молекулярный водород H2 и гидроксильные группы OH– могут легко проникать к сердцевине оптического волокна и вступать в химические реакции. Это неизбежно ведет к увеличению оптических потерь и, следовательно, к ухудшению прозрачности волокна, – рассказывает участница проекта, аспирант 4 года обучения Института физики КФУ Светлана Сапарина. – Для решения этой проблемы обычно используется аморфный углерод, который эффективно защищает оптическое волокно от влаги и водорода. Толщина углеродного слоя составляет несколько десятков нанометров, и микродеформации волокна не вызывают существенного ухудшения оптической прозрачности».

Исследуя аморфные углеродные покрытия, ученые КФУ обнаружили необратимое увеличение электрического сопротивления (до 20%) при многократных циклах их нагрева и охлаждения на воздухе.

«Рост сопротивления обусловлен взаимодействием аморфного углерода с молекулами воды из окружающей среды, – объясняет Сергей Харинцев. – Диссоциация молекул воды на ионы H+ и OH- и их взаимодействие с краевыми дефектами аморфного углерода ведут к образованию С-H и COOH/C-OH функциональных групп. Используя комбинационное рассеяние света, мы обнаружили формирование карбонильной группы C=O при нагреве выше 80 градусов, которая аннигилирует при охлаждении до комнатной температуры. Таким образом, разложение воды на H+ и OH- и их необратимое связывание с краевыми дефектами приводят к обогащению углеродного слоя различными функциональными группами. Этот механизм ведет к увеличению электрического сопротивления аморфного углерода. Обогащенный дефектами углерод обеспечивает усиленную диффузию водорода и влаги к сердцевине оптического волокна, делая его менее прозрачным».

Используемые в исследованиях образцы, отметил ученый, были приготовлены и предоставлены американской компанией OFS.

Он также сообщил, что аморфные углеродные покрытия могут применяться не только в качестве защитных покрытий оптических волокон, но и для разработки компактных датчиков влажности и адсорбентов нового поколения.