Daten speichern durch Lasergravur

Erstmals 1960 entwickelt, haben Laser in den letzten Jahren an Beliebtheit gewonnen. Der globale Markt für Lasertechnologie wird voraussichtlich auf $35.4 bln bis 2032 wachsen. Dieses Wachstum wird getrieben von der steigenden Nachfrage nach Lasern in verschiedenen Sektoren, darunter Kommunikation, Verteidigung, Wissenschaft, Sicherheit, Datenspeicherung und mehr.

Laser, Geräte, die Licht durch optische Verstärkung emittieren, werden häufig zum Gravieren eingesetzt. Lasergravur ist ein Verfahren zur Erstellung von Markierungen auf der Oberfläche eines Produkts, wie QR-Codes, Strichcodes, Logos und Seriennummern. Diese Markierungen enthalten wichtige Informationen, um die Herkunft eines bestimmten Produkts über dessen gesamten Lebenszyklus hinweg zu verfolgen und so dessen Sicherheit und Haltbarkeit zu gewährleisten. Zusätzlich wird dieses Verfahren verwendet um Kunstwerke für Produkte zu erstellen.

Lasergravur fällt unter die breitere Kategorie der Laserkennzeichnung, zu der auch das Laseranlassen – ein Prozess, der das Material erwärmt – und das Lasergravieren, das das Material verdampft, gehört. Aufgrund seiner hohen Vielseitigkeit kann der Laser die meisten Metalle gravieren.

Also, wie funktioniert das?

Um eine Markierung zu erzeugen, gibt der Laserstrahl eine hohe Energiemenge an eine konzentrierte Stelle ab und schmilzt die Oberfläche des Materials. Während die Oberfläche sich ausdehnt und abkühlt, entsteht die gewünschte Markierung. Im Gegensatz zu anderen Prozessen, die lediglich die Farbe oder Textur der Oberfläche ändern, verändert die Lasergravur die Oberfläche tatsächlich und erzeugt eine erhabene oder vertieft Fläche mit einer raueren Textur.

Auf diese Weise werden durch die Veränderung der Materialoberfläche mithilfe eines Lasers verschiedene permanente Designs und Muster erzeugt.

Verschiedene für die Gravur eingesetzte Lasertypen umfassen Faserlaser, CO2-Laser, Kristalllaser, Diodenlaser und diodegepumpte Festkörperlaser.

Diese Methode, Markierungen auf einem Material zu erzeugen, bietet Vorteile wie Geschwindigkeit und umfangreiche Anpassbarkeit. Sie ist zudem ein kontaktloses Verfahren, das keine chemischen Reaktionen auslöst oder mechanische Spannungen erzeugt und qualitativ hochwertige Markierungen liefert. Lasergravur kann auch nicht‑abrasiven Behandlungen wie Pulverbeschichtungen standhalten.

Darüber hinaus kann Lasergravur verwendet werden, um eine breite Palette von Materialien zu bearbeiten, wie Holz, Leder, Kunststoffe, Glas, Keramik, Naturstein und Halbleiter. Sie ist auch auf fast allen Metallen wirksam, darunter Aluminium, eloxiertes Aluminium, Blei, Magnesium, Stahl, Zink, Kupfer, Messing und Titan können graviert werden. Grundsätzlich kann fast jede Materialart lasergraviert werden. 

Allerdings ist Lasergravur nicht ohne Probleme, wie die hohen Anschaffungskosten für die Geräte. Zudem können die Markierungen in abrasiven Umgebungen, etwa beim Sandstrahlen, abnutzen. 

Trotz dieser Herausforderungen überwiegen die Vorteile der Lasergravur die Nachteile bei weitem, sodass sie für die meisten Kennzeichnungsanwendungen empfohlen wird. Lasergravur ist weit verbreitet in vielen Branchen wegen ihrer Vielseitigkeit, Effizienz und Präzision, darunter Automobil, Elektronik, Verpackung und Verteidigungsmetallfertigung, Schmuck, Kunst und medizinische Geräte.

Eine weitere interessante Anwendung der Lasergravur ist die Datenspeicherung. Vor mehr als einem Jahrzehnt sprach Hitachi über Informationsspeicherung für Hunderte von Millionen Jahren, indem es mittels Laser in Quarzglasplatten kodiert wurde. Die Technik ging jedoch nicht das Problem der Verwaltung der riesigen Datenmenge an. 

Vor einigen Jahren, Peter Kazansky, Professor am Optoelectronics Research Centre der University of Southampton, speicherte 500 Terabyte Daten auf einer kleinen Glasscheibe mittels Lasergravur.

Modifikation von Polysulfid-Oberflächen mit Niedrigleistungslasern

Angesichts der enormen Vorteile der Lasergravur suchen Forscher und Wissenschaftler stets nach Möglichkeiten, die Technologie zu verbessern und neue Anwendungen zu finden. Kürzlich entdeckten Forscher der Flinders University dass ein kostengünstiger, lichtempfindlicher, schwefelbasierter Polymer für Niedrigleistungs‑sichtbare‑Licht‑Laser empfänglich ist. 

Typischerweise benötigen wir, um die Oberflächen von Polymeren, die aus sehr großen Molekülen bestehen, zu verändern, Laser mit sehr hoher Leistung. Mit Hochleistungslasern können High‑Tech‑Elektronik, biomedizinische Produkte und Datenspeicher‑Komponenten können hergestellt werden. Durch die jüngste Entdeckung können jedoch erschwinglichere und sicherere Produktionsmethoden realisiert werden. 

Laut Forschungsmitarbeiterin und Koautorin Dr Lynn Lisboa:

“Die Auswirkungen dieser Entdeckung reichen weit über das Labor hinaus und bieten potenzielle Anwendungen in biomedizinischen Geräten, Elektronik, Informationsspeicherung, Mikrofluidik und vielen anderen funktionalen Materialanwendungen.”

Veröffentlicht in Angewandte Chemie International Edition, die Studie betont die Bedeutung der Modifikation von Polymeroberflächen mit Laserlicht zur Unterstützung von Fortschritten in verschiedenen Bereichen, weist jedoch darauf hin, dass solche Änderungen in der Regel teure Hochleistungslaser erfordern, die zudem spezielle Werkzeuge und Einrichtungen benötigen, um das Risiko einer gefährlichen Strahlungsbelastung zu reduzieren. Darüber hinaus sind die Polymer‑Systeme selbst oft komplex und kostenintensiv zu entwickeln, sodass Laser sie leicht verändern können. 

Deshalb werden Polymere benötigt, die leicht zugänglich sind und bei geringer Strahlungsbelastung reagieren, da dies einfachere, sicherere und kostengünstigere Lasersysteme ermöglichen würde.

Die Entdeckung von kostengünstigen und schnell veränderbaren Schwefel‑Kopolymeren, die mittels Laser mit niedrigleistungssichtbarem und unsichtbarem Infrarotlicht bearbeitet werden, erfüllt diese Bedürfnisse. Zur Herstellung der Schwefel‑Kopolymere nutzten die Forscher elementaren Schwefel (S) sowie entweder Cyclopentadien oder Dicyclopentadien. 

Anschließend konnte das Team mit einer Reihe von Niedrigleistungs‑Wellenlasern mit Wellenlängen von 532, 638 und 786 nm die Polymeroberflächen modifizieren. Diese Modifikationen umfassen Gravur durch Ablation oder kontrolliertes Aufquellen. 

Die Studie nutzte anschließend die Modifikation von Polymersystemen mittels Laser und einfacher Synthese in zwei Anwendungen – löschbare Informationsspeicherung und direkte Laserlithografie. Der hohe Schwefelgehalt dieser Polymere verleiht eine Vielzahl chemischer, physikalischer und optischer Eigenschaften, die vielfältige Anwendungen in Energiespeicherung, Thermografie‑Optik und Metallbindung ermöglichen.

Dann gibt es die S−S-Bindungen, diegebrochen und wieder gebildet werden können, was Wiederherstellung und Nutzung ermöglicht. Die Anfälligkeit der S−S-Bindungen in Schwefel‑Kopolymeren führte zu den Entdeckungen der Studie. Insbesondere stellten die Forscher fest, dass die Oberfläche des Kopolymers sichtbar verändert war, bereits nach einer Belichtung von weniger als 1 Sekunde mit einem 690 nm, 1,10 mW Diodenlaser. Die Studie erklärte:

“Angesichts der geringen Laserleistung und der kurzen Belichtungszeiten war diese schnelle Polymermodifikation überraschend.”

Lasermodifikationen ermöglichen löschbare Informationsspeicherung

Die Chemiezeitschrift, in der die Studie veröffentlicht wurde, zeigte zudem eine lasergravierte Version der berühmten Mona‑Lisa‑Gravur zusammen mit dem Druck eines Mikro‑Braille, das sogar kleiner war als der runde Kopf einer Nadel.

Finanziert vom Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF‑SA und Microscopy Australia, hebt die Studie eine Entdeckung hervor, die den Weg für den Einsatz nachhaltigerer Materialien ebnen könnte. Konkret nutzte die Studie ein Polymer, das aus dem kostengünstigen industriellen Nebenprodukt elementarem Schwefel hergestellt wurde. Darüber hinaus kann diese Methode den Bedarf an teuren, spezialisierten Geräten verringern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Hochleistungslaser das Risiko gefährlicher Strahlung mit sich bringen.

Die Entdeckung wurde gemacht während einer routinemäßigen Analyse eines vor zwei Jahren im Chalker‑Labor erfundenen Polymers von Doktorand Samuel Tonkin und Professor für Chemie Justin Chalke vom Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Das neuartige Polymer wurde gefunden zu modifizieren, sobald das Laserlicht seine Oberfläche berührte. Dies, sagte der Studienmitautor und Forscher der Flinders University Dr Christopher Gibson, war eine „ungewöhnliche Reaktion“, die bisher an keinen anderen gängigen Polymeren beobachtet wurde. Er sagte:

„Wir erkannten sofort, dass dieses Phänomen in einer Reihe von Anwendungen nützlich sein könnte, also haben wir ein Forschungsprojekt rund um diese Entdeckung aufgebaut.“

Abigail Mann, Doktorandin am Flinders College of Science and Engineering, bezeichnete dies als spannende Entwicklung und erklärte, dass sie durch den Einsatz neuartiger Techniken zur Herstellung von Strukturen im Mikrometer‑ und kleineren Maßstab für schwefelbasierte Materialien „hoffen, ein breites Spektrum an realen Anwendungen in unserem Labor und darüber hinaus zu inspirieren“.

Diese Entdeckung bietet eine neue Methode zur Erzeugung präziser Muster auf der Polymeroberfläche. Diese Fähigkeit hat potenzielle Anwendungen in biomedizinischen Geräten mit strukturierten Oberflächen, neuartigen Methoden zur Nutzung von Polymeren in der Datenspeicherung sowie alternativen Ansätzen zur Herstellung nanoskaliger Geräte für Mikrofluidik, Sensoren und Elektronik.

In einer praktischen Demonstration des Potenzials für löschbare Informationsspeicherung zeigte die Studie die Fähigkeit, eine Botschaft in Brailleschrift zu kodieren. Dies wurde erreicht indem ein Laser verwendet wurde, um erhabene Punkte auf dem Material zu erzeugen, wobei die dynamischen S−S‑Bindungen und Eigenschaften ähnlich einem Vitrimer – einer Kunststoffklasse, die sowohl das Schreiben als auch das Löschen der Botschaft ermöglicht – genutzt wurden. 

Um das Wort „geheime Botschaft“ in Brailleschrift zu schreiben, verwendeten die Forscher einen Laser mit einer niedrigeren Leistungseinstellung (638 nm, 2,4 mW). Die erhabenen Punkte, die eine Höhe von 3,6 µm ± 0,2 µm hatten, wurden durch eine Belichtung der Polymeroberfläche mit dem Laser für nur 1,3 Sekunden erzeugt.

Anschließend nutzte das Team eine höhere Leistungseinstellung (638 nm, 5,4 mW), um in den Ecken durch Ablation und Materialabtrag Vertiefungen zu erzeugen. Auch hier betrug die Laserbelichtung 1,3 Sekunden.

Die Studie stellte fest, dass die thermische Behandlung die gehobenen Punkte löschte, wenn das Material 5 Stunden lang bei 160 °C im Ofen inkubiert wurde. Die durch Ablation entstandenen Vertiefungen blieben hingegen erhalten, da das Polymer dauerhaft Schwefel verlor.

Der Prozess der entfernbaren Informationskodierung stellt laut Studie „eine neue Richtung in fotoresponsive Materialien dar, mit Vorteilen in der Einfachheit der Materialsynthetisierung und dem Einsatz von Niedrigleistungslasern“.

Die Studie demonstrierte weiter die Erzeugung eines komplexen, mikroskaligen Bildes mittels direkter Laserlithografie. Mit einem 532 nm‑Laser, der mit 7 % Leistung (1,3 mW) betrieben wurde, erzeugte das Flinders‑Forschungsteam die feinen Linien des „Micro Lisa“. Das Mikro‑Bild war etwa neun µm breit und zwei µm tief. Mikrometer oder Mikrometer, dargestellt als µm, entsprechen einem Millionstel Meter.

Mit einem Laser höherer Leistung (3,0 mW) erzeugte das Team anschließend die breiteren und tieferen Linien des 23 µm breiten und fünf µm tiefen quadratischen Rahmens. Diese direkte Laserlithografie, so das Team, zeichnet sich durch die geringen Kosten der Polymer‑Substrate und die Einfachheit des Lasersystems aus.

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Fazit

Wie wir in dieser Studie gesehen haben, konnten die Forscher mit niedrigleistungs‑sichtbarem und infrarotem Laserlicht Kopolymere modifizieren. Die Modifikationen erfolgten schnell, mit extrem kurzen Belichtungszeiten – von Millisekunden, einem Tausendstel einer Sekunde, bis zu einer Sekunde. Dieser Zeitrahmen kann in verschiedenen Branchen von erheblichem Vorteil sein, insbesondere dort, wo die gesamten Prototyp‑ und Fertigungsprozesse schnell durchgeführt werden.

Durch die Kontrolle von Wellenlänge, Durchmesser und Leistung des Strahls konnten die Forscher erhabene Punkte, Löcher, Vertiefungen, Kanäle und Spitzen auf der Polymeroberfläche erzeugen. Diese Vielseitigkeit bedeutet, dass selbst komplexe Muster erstellt werden können, was die Funktionalität verbessert und spezifische Anwendungen ermöglicht.

Aber das ist nicht alles. Durch einfaches Erhitzen der Probe konnten die Forscher zudem die durch Aufquellen des Polymers verursachten Modifikationen wieder entfernen. Diese Fähigkeiten sind bedeutend, wie das Team mit direkter Laserlithografie komplexer Bilder und löschbarer Informationskodierung demonstrierte.

Diese Studie hat nicht nur eine einfache Methode sowie kostengünstige Materialien und Lasersysteme bereitgestellt, die zugänglichere und kosteneffizientere Lösungen ermöglichen, sondern kann auch speziell in Bereichen wie Verschlüsselung, Datenspeicherung und vielen anderen, in denen temporäre Modifikationen erforderlich sind, nützlich sein.

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