تخزين البيانات عبر النقش بالليزر

تم تطويره لأول مرة في عام 1960، ارتفعت شعبية الليزر خلال السنوات القليلة الماضية. سوق تكنولوجيا الليزر العالمي من المتوقع أن ينمو إلى $35.4 bln بحلول عام 2032. هذا النمو مدفوع بزيادة الطلب على الليزر عبر مختلف القطاعات، بما في ذلك الاتصالات، الدفاع، العلوم، الأمن، تخزين البيانات، وغيرها.

الليزر، وهو جهاز يُصدر الضوء عبر التضخيم البصري، يُستخدم على نطاق واسع للنقش. النقش بالليزر هو عملية لإنشاء علامات على سطح المنتج، مثل رموز QR، الباركود، الشعارات، وأرقام السلسلة. تحتوي هذه العلامات على معلومات حيوية لتتبع مصدر منتج معين طوال دورة حياته بالكامل، مما يضمن سلامته ومتانته. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم هذه العملية لإنشاء أعمال فنية للمنتجات.

النقش بالليزر يندرج تحت فئة أوسع من العلامات بالليزر، التي تشمل أيضًا التلدين بالليزر—عملية تسخين المادة— والنقش بالليزر، الذي يتضمن تبخير المادة. بفضل تعدده العالي، يمكن للليزر نقش معظم المعادن.

إذًا، كيف يعمل هذا؟

لإنشاء علامة، يطلق شعاع الليزر كمية عالية من الطاقة على منطقة مركزة، مما يذيب سطح المادة. عندما يتمدد السطح ويبرد، يتشكل العلامة المطلوبة. على عكس العمليات الأخرى التي تغير اللون أو الملمس فقط، يقوم النقش بالليزر فعليًا بتغيير السطح، مخلقًا منطقة مرتفعة أو منخفضة بملمس أكثر خشونة.

وبالتالي، من خلال تعديل سطح المادة بمساعدة الليزر، تُنشأ تصاميم ونقوش دائمة مختلفة.

أنواع مختلفة من الليزر المستخدمة في النقش تشمل الليزر الليفي، CO2، البلوري، الليزر الثنائي، والليزر الصلب المدفوع بالثنائيات.

تقدم هذه الطريقة لإنشاء علامات على مادة ما فوائد مثل السرعة وإمكانية التخصيص الواسعة. كما أنها طريقة غير تلامسية لا تسبب تفاعلات كيميائية أو ضغوط ميكانيكية وتنتج علامات ذات جودة فائقة. يمكن للنقش بالليزر أيضًا تحمل المعالجات غير الكاشطة مثل الطلاء بالبودرة.

علاوةً على ذلك، يمكن استخدامه على مجموعة واسعة من المواد مثل الخشب، الجلد، البلاستيك، الزجاج، السيراميك، الحجر الطبيعي، وأشباه الموصلات. كما أنه فعال على تقريبًا جميع المعادن، بما في ذلك الألمنيوم، الألمنيوم المؤكسد، الرصاص، المغنيسيوم، الفولاذ، الزنك، النحاس، النحاس الأصفر، والتيتانيوم يمكن نقشها. أساسًا، يمكن نقش أي نوع تقريبًا من المواد بالليزر.

مع ذلك، لا يخلو النقش بالليزر من مشاكله، مثل التكاليف الأولية العالية للآلات. بالإضافة إلى ذلك، قد تتآكل العلامات في البيئات الكاشطة، مثل تلك المعرضة للرش بالرمل.

على الرغم من هذه التحديات، فإن فوائد النقش بالليزر تفوق عيوبه بكثير، مما يجعله موصى به لمعظم تطبيقات العلامات. النقش بالليزر يُستخدم على نطاق واسع عبر العديد من الصناعات بفضل تعدده، كفاءته، ودقته، بما في ذلك السيارات، الإلكترونيات، التعبئة، وتصنيع المعادن الدفاعية، المجوهرات، الفن، والأجهزة الطبية.

تطبيق آخر مثير للاهتمام للنقش بالليزر هو تخزين البيانات. قبل أكثر من عقد من الزمن، تحدثت شركة هيتاشي عن حفظ المعلومات لمئات الملايين من السنين عبر ترميزها بالليزر في ألواح من زجاج الكوارتز. ومع ذلك، لم تتعامل التقنية مع مشكلة إدارة الكم الهائل من البيانات.

قبل بضع سنوات، بيتر كازانسكي، أستاذ في مركز أبحاث الإلكترونيات الضوئية بجامعة ساوثهامبتون، خزن 500 تيرابايت من البيانات على قرص زجاجي صغير عبر النقش بالليزر.

تعديل أسطح البوليسلفيد باستخدام الليزر منخفض الطاقة

نظرًا للفوائد الهائلة للنقش بالليزر، يسعى الباحثون والعلماء دائمًا إلى تحسين التقنية واكتشاف تطبيقات جديدة. مؤخرًا، اكتشف باحثون من جامعة فليندرز أن بوليمرًا مشتقًا من الكبريت منخفض التكلفة ويتفاعل مع الضوء يستجيب لليزر منخفض الطاقة والضوء المرئي.

عادةً، لتعديل أسطح البوليمرات، التي تتكون من جزيئات ضخمة جدًا، نحتاج إلى ليزر يصدر طاقة عالية جدًا. باستخدام الليزر عالي الطاقة، يمكن إنتاج مكونات الإلكترونيات المتقدمة، المنتجات الطبية، وتخزين البيانات. ومع ذلك، مع الاكتشاف الأخير، يمكننا الآن رؤية طرق إنتاج أكثر تكلفة وأمانًا.

وفقًا لمساعد الباحث ومؤلف مشارك الدكتورة لين ليوبسا:

“تأثير هذا الاكتشاف يتجاوز المختبر بكثير، مع إمكانية استخدامه في الأجهزة الطبية، الإلكترونيات، تخزين المعلومات، الميكروسيولة، والعديد من تطبيقات المواد الوظيفية الأخرى.”

نُشر في مجلة Angewandte Chemie International Edition، الـ دراسة تشير إلى أهمية تعديل أسطح البوليمرات بالضوء الليزري لدعم التقدم في مجالات متعددة، مع الإشارة إلى أن هذه التعديلات عادةً ما تتطلب ليزرًا مكلفًا وعالي الطاقة، مما يستلزم أدوات ومرافق خاصة لتقليل خطر التعرض لمستوى خطير من الإشعاع. ثم، هناك أنظمة بوليمرية نفسها التي تميل إلى أن تكون معقدة ومكلفة للتطوير بحيث يمكن للليزر تعديلها بسهولة.

وبالتالي، هناك حاجة إلى بوليمرات يمكن الوصول إليها بسهولة وتتفاعل عند تعرضها لمستويات منخفضة من الإشعاع، مما يعني أنظمة ليزر أبسط، أكثر أمانًا، وأكثر اقتصادًا.

يُلبي اكتشاف بوليمرات السلفور الرخيصة والقابلة للتعديل بسرعة باستخدام الليزر الذي يطلق ضوءًا مرئيًا منخفض الطاقة وضوءًا تحت الأحمر غير المرئي هذه الاحتياجات. لإنشاء بوليمرات سلفور، استخدم الباحثون الكبريت العنصري (S) إما مع سيكلوبنتاديين أو دي سيكلوبنتاديين.

ثم، باستخدام مجموعة من الليزرات الموجية منخفضة الطاقة بأطوال موجية 532، 638، و786 نم، تمكن الفريق من تعديل أسطح البوليمرات. تشمل هذه التعديلات النقش عبر الإزالة أو الانتفاخ المتحكم فيه.

استخدمت الدراسة بعد ذلك تعديل أنظمة البوليمرات عبر الليزر وتخليق سهل في تطبيقين—تخزين معلومات قابل للمسح والليثوغرافيا الليزرية المباشرة. يتيح المحتوى العالي من السلفور لهذه البوليمرات نقل مجموعة متنوعة من الخصائص الكيميائية، الفيزيائية، والبصرية، مما يمكّن تطبيقات متنوعة في تخزين الطاقة، بصريات التصوير الحراري، وربط المعادن.

ثم، هناك الروابط S−S التي يمكن كسرها وإعادة تشكيلها، مما يتيح الاستعادة والاستخدام. مسؤولية روابط S−S في بوليمرات السلفور هي ما أدى إلى اكتشافات الدراسة. على وجه الخصوص، لاحظ الباحثون أن سطح الكوبوليمر تغير مرئيًا بعد تعرضه لأقل من ثانية واحدة لليزر ديود بطول موجي 690 نم، قدرة 1.10 مW. صرحت الدراسة:

“نظرًا لانخفاض طاقة الليزر وقصر أوقات التعرض، كان تعديل البوليمر السريع مفاجأة.”

التعديلات الليزرية تمكّن تخزين معلومات قابل للمسح

المجلة الكيميائية التي نُشرت فيها الدراسة عرضت أيضًا نسخة منقوشة بالليزر للوحة الموناليزا الشهيرة إلى جانب طباعة برايل دقيقة أصغر من رأس الدبوس الدائري.

بتمويل من المجلس الأسترالي للبحوث، ومختبرات فليندرز للميكروسكوب والتحليل، ANFF-SA، وMicroscopy Australia، تسلط الدراسة الضوء على اكتشاف قد يمهد الطريق لاستخدام مواد أكثر استدامة. على وجه التحديد، استخدمت الدراسة بوليمرًا مصنوعًا من النفاية الصناعية منخفضة التكلفة، الكبريت العنصري. علاوةً على ذلك، يمكن لهذه الطريقة تقليل الحاجة إلى معدات مكلفة ومتخصصة. من المهم الإشارة إلى أن الليزر عالي الطاقة يحمل خطر الإشعاع الضار.

تم إجراء الاكتشاف خلال تحليل روتيني لبوليمر تم اختراعه قبل عامين في مختبر تشالر بواسطة طالب الدكتوراه صامويل تونكين وأستاذ الكيمياء جاستين تشالك من معهد فليندرز للعلوم والهندسة النانوية.

وُجد أن البوليمر الجديد يتعدل فور ملامسة سطحه للضوء الليزري. هذا، وفقًا لمؤلف الدراسة المشارك والباحث في جامعة فليندرز الدكتور كريستوفر جيبسون، كان استجابة “غير عادية” لم تُلاحظ من قبل على أي بوليمرات شائعة أخرى. قال:

“أدركنا فورًا أن هذه الظاهرة قد تكون مفيدة في عدد من التطبيقات، لذا بنينا مشروع بحث حول هذا الاكتشاف.”

وصفًا هذا التطور المثير، قالت أبيجيل مان، طالبة دكتوراه في كلية العلوم والهندسة بفليندرز، إن استخدام تقنيات جديدة لتصنيع هياكل بمقاسات ميكرومترية وأصغر للمواد القائمة على الكبريت، “نأمل أن نلهم مجموعة واسعة من التطبيقات الواقعية في مختبرنا وخارجه.”

يوفر هذا الاكتشاف طريقة جديدة لتوليد نماذج دقيقة على سطح البوليمر. هذه القدرة لها تطبيقات محتملة في الأجهزة الطبية ذات الأسطح المنقوشة، طرق جديدة لاستخدام البوليمرات في تخزين البيانات، ونهج بديل لتصنيع أجهزة نانوية للميكروسيولة، المستشعرات، والإلكترونيات.

في عرض عملي لإمكاناته في تخزين معلومات قابل للمسح، أظهرت الدراسة القدرة على ترميز رسالة ببرايل. تم تحقيق ذلك باستخدام ليزر لإنشاء نقاط مرتفعة على المادة، مستفيدًا من الروابط الديناميكية S−S وخصائص تشبه الفيتريمر—فئة من البلاستيك التي سهلت كتابة ومسح الرسالة.

لإنشاء كتابة “رسالة سرية” ببرايل، استخدم الباحثون ليزرًا بإعداد طاقة منخفضة (638 نم، 2.4 مW). تم تشكيل النقاط المرتفعة، التي كان ارتفاعها 3.6 μm±0.2 μm، عن طريق تعريض سطح البوليمر للليزر لمدة 1.3 ثانية فقط.

ثم استخدم الفريق إعداد طاقة أعلى (638 نم، 5.4 مW) لإنشاء حفر في الزوايا عبر الإزالة والمواد. مرة أخرى، كان التعرض للليزر 1.3 ثانية.

وجدت الدراسة أن المعالجة الحرارية مسحت النقاط المرتفعة عند تعريضها لفرن عند 160 °C لمدة 5 ساعات. أما الحفر التي تشكلت عبر الإزالة فبقيت ثابتة بسبب فقدان البوليمر الدائم للكبريت.

عملية ترميز المعلومات القابلة للإزالة، وفقًا للدراسة، “تشكل اتجاهًا جديدًا في المواد الضوئية الاستجابية، مع فوائد في بساطة تخليق المادة واستخدام الليزر منخفض الطاقة.”

أظهرت الدراسة أيضًا توليد صورة معقدة على المستوى الميكروي باستخدام الليثوغرافيا الليزرية المباشرة. باستخدام ليزر بطول موجي 532 نم يعمل بقدرة 7 % (1.3 مW)، أنشأت فريق فليندرز الخطوط الدقيقة لـ “ميكرو ليزا”. كان عرض الصورة الميكروية حوالي 9 μm وعمقها 2 μm. الميكرونات أو الميكرومترات، الممثلة بـ µm، تعادل واحدًا من مليون متر.

باستخدام ليزر بقدرة أعلى (3.0 مW)، أنشأ الفريق بعد ذلك الخطوط الأوسع والأعمق لإطار مربع عرضه 23 μm وعمقه 5 μm. هذه الليثوغرافيا الليزرية المباشرة، وفقًا للفريق، مميزة من حيث انخفاض تكلفة ركائز البوليمر وبساطة نظام الليزر.

انقر هنا لتعرف كيف قد تُغيّر الليزر الحواسيب الحديثة.

الخلاصة

كما رأينا في هذه الدراسة، باستخدام ضوء الليزر المرئي وتحت الأحمر منخفض الطاقة، تمكن الباحثون من تعديل الكوبوليمرات. كانت التعديلات سريعة، مع أوقات تعرض قصيرة جدًا — من مليثانية، ألف من الثانية، إلى ثانية واحدة. يمكن أن يكون هذا الإطار الزمني ذا فائدة كبيرة في صناعات مختلفة، خاصة تلك التي تتطلب إتمام عمليات النمذجة والتصنيع بسرعة.يتم إنجازها بسرعة.

من خلال التحكم في الطول الموجي، القطر، وطاقة الشعاع، تمكن الباحثون من إنشاء نقاط مرتفعة، ثقوب، حفر، قنوات، وشوك على سطح البوليمر. يتيح هذا التنوع إمكانية إنشاء نماذج معقدة، مما يحسن الوظائف ويلبي تطبيقات محددة.

لكن هذا ليس كل شيء. ببساطة عن طريق تسخين العينة، تمكن الباحثون من مسح تعديلات انتفاخ البوليمر. هذه القدرات هامة، كما أظهر الفريق من خلال الليثوغرافيا الليزرية المباشرة للصور المعقدة وترميز المعلومات القابلة للمسح.

لم توفر هذه الدراسة طريقة بسيطة فقط، بل قدمت مواد منخفضة التكلفة وأنظمة ليزر يمكن أن تساعد في توفير حلول أكثر وصولًا وفعالية من حيث التكلفة، ويمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص في التشفير، تخزين البيانات، والعديد من المجالات الأخرى التي تحتاج إلى تعديلات مؤقتة.

انقر هنا لتعرف لماذا من المتوقع أن يلعب الليزر دورًا محوريًا في الأيام القادمة.