Επιστήμη υλικών
Αποθήκευση Δεδομένων μέσω Χάραξης με Λέιζερ
Πρώτα αναπτύχθηκαν το 1960, τα λέιζερ έχουν αυξήσει τη δημοτικότητά τους τα τελευταία χρόνια. Η παγκόσμια αγορά τεχνολογίας λέιζερ προβλέπεται να αυξηθεί σε $35.4 bln μέχρι το 2032. Αυτή η ανάπτυξη οφείλεται στην αυξανόμενη ζήτηση για λέιζερ σε διαφορετικούς τομείς, όπως η επικοινωνία, η άμυνα, η επιστήμη, η ασφάλεια, η αποθήκευση δεδομένων και άλλα.
Τα λέιζερ, που είναι συσκευές που εκπέμπουν φως μέσω οπτικής ενίσχυσης, χρησιμοποιούνται ευρέως για χάραξη. Η χάραξη με λέιζερ είναι μια διαδικασία δημιουργίας σημάνσεων στην επιφάνεια ενός προϊόντος, όπως κώδικες QR, γραμμωτοί κώδικες, λογότυπα και σειριακοί αριθμοί. Αυτές οι σημάνσεις περιέχουν κρίσιμες πληροφορίες για την παρακολούθηση της προέλευσης ενός συγκεκριμένου προϊόντος καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής του, εξασφαλίζοντας την ασφάλεια και τη διάρκεια του. Επιπλέον, αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία καλλιτεχνικών έργων για προϊόντα.
Η χάραξη με λέιζερ ανήκει σε μια ευρύτερη κατηγορία σήμανσης με λέιζερ, η οποία περιλαμβάνει επίσης το λαστινικό ανόπτηση — μια διαδικασία που θερμαίνει το υλικό — και τη λαστινική χάραξη, που περιλαμβάνει την εξάτμιση του υλικού. Λόγω της υψηλής ευελιξίας του, το λέιζερ μπορεί να χαράξει τα περισσότερα μέταλλα.
Λοιπόν, πώς λειτουργεί αυτό;
Για να δημιουργηθεί μια σημάνση, η δέσμη λέιζερ εκπέμπει μεγάλη ποσότητα ενέργειας σε μια συγκεντρωμένη περιοχή, λιώντας την επιφάνεια του υλικού. Καθώς η επιφάνεια διαστέλλεται και ψύχεται, σχηματίζει τη ζητούμενη σημάνση. Σε αντίθεση με άλλες διαδικασίες που απλώς αλλάζουν το χρώμα ή την υφή της επιφάνειας, η χάραξη με λέιζερ τροποποιεί πραγματικά την επιφάνεια, δημιουργώντας μια ανυψωμένη ή εσομένη περιοχή με πιο τραχιά υφή.
Έτσι, με την τροποποίηση της επιφάνειας ενός υλικού με τη βοήθεια ενός λέιζερ, δημιουργούνται διαφορετικά μόνιμα σχέδια και μοτίβα.
Διαφορετικοί τύποι λέιζερ που χρησιμοποιούνται για χάραξη περιλαμβάνουν τα ινώδη, CO2, κρυσταλλικά, διαδρόμου και διαδρόμου‑αντλημένα στερεά‑κατάστασης λέιζερ.
Αυτή η μέθοδος δημιουργίας σημάνσεων σε ένα υλικό προσφέρει πλεονεκτήματα όπως η ταχύτητα και η εκτεταμένη προσαρμοστικότητα. Είναι επίσης μια μέθοδος χωρίς επαφή που δεν προκαλεί χημικές αντιδράσεις ή μηχανικές τάσεις και παράγει σημάνσεις υψηλής ποιότητας. Η χάραξη με λέιζερ μπορεί επίσης να αντέξει μη‑απορριπτικές επεξεργασίες όπως η επίστρωση με σκόνη.
Επιπλέον, η χάραξη με λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ευρεία ποικιλία υλικών όπως ξύλο, δέρμα, πλαστικά, γυαλί, κεραμικά, φυσική πέτρα και ημιαγωγοί. Είναι επίσης αποτελεσματική σε σχεδόν όλα τα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένου του αλουμινίου, του ανόδιστου αλουμινίου, του μολύβδου, του μαγνησίου, του χάλυβα, του ψευδαργύρου, του χαλκού, του ορείχαλκου και του τιτανίου. Βασικά, σχεδόν οποιοδήποτε είδος υλικού μπορεί να χαραχθεί με λέιζερ.
Ωστόσο, η χάραξη με λέιζερ δεν είναι χωρίς προβλήματα, όπως το υψηλό αρχικό κόστος των μηχανημάτων. Επιπλέον, οι σημάνσεις μπορούν να φθαρούν σε απορρογικές περιβάλλοντα, όπως αυτά που εκτίθενται σε αμμοβολή.
Παρά τις προκλήσεις αυτές, τα οφέλη της χάραξης με λέιζερ υπερτερούν κατά πολύ των μειονεκτημάτων της, καθιστώντας την συνιστώμενη για τις περισσότερες εφαρμογές σήμανσης. Η χάραξη με λέιζερ χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλούς κλάδους για την ευελιξία, την αποδοτικότητα και την ακρίβειά της, συμπεριλαμβανομένων των αυτοκινητοβιομηχανιών, της ηλεκτρονικής, της συσκευασίας και της άμυνας μεταλλικής κατασκευής, της κοσμηματοποιίας, της τέχνης και των ιατρικών συσκευών.
Μια άλλη ενδιαφέρουσα εφαρμογή της χάραξης με λέιζερ είναι η αποθήκευση δεδομένων. Πάνω από μια δεκαετία πριν, η διατήρηση πληροφοριών σε πλάκες χαλαζία. Ωστόσο, η τεχνική δεν αντιμετώπισε το πρόβλημα της διαχείρισης του τεράστιου όγκου δεδομένων.
Πριν λίγα χρόνια, ο Peter Kazansky, καθηγητής στο Κέντρο Έρευνας Οπτοηλεκτρονικής του Πανεπιστημίου του Σαουθάμπτον, αποθήκευσε 500 τεραμπάιτ δεδομένων σε έναν μικρό γυάλινο δίσκο μέσω χάραξης με λέιζερ.
Τροποποίηση Επιφανειών Πολυθειδίου με Χαμηλής Ισχύος Λέιζερ
Δεδομένων των τεράστιων ωφελειών της χάραξης με λέιζερ, ερευνητές και επιστήμονες αναζητούν συνεχώς τρόπους βελτίωσης της τεχνολογίας και νέες εφαρμογές. Πρόσφατα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο απαλό, φωτός‑ανταποκρινόμενο πολυμερές προερχόμενο από θείο είναι ευαίσθητο σε χαμηλής ισχύος, ορατό φως λέιζερ.
Κανονικά, για την τροποποίηση των επιφανειών των πολυμερών, που αποτελούνται από πολύ μεγάλες μόρια, απαιτούνται λέιζερ υψηλής ισχύος. Χρησιμοποιώντας λέιζερ υψηλής ισχύος, μπορούν να παραχθούν εξαρτήματα υψηλής τεχνολογίας, βιοϊατρικά προϊόντα και αποθήκευσης δεδομένων. Ωστόσο, με την πρόσφατη ανακάλυψη, μπορούμε να δούμε πιο προσιτές και ασφαλείς μεθόδους παραγωγής.
Σύμφωνα με την ερευνητική συνεργάτιδα και συν‑συγγραφέα Δρ. Lynn Lisboa:
«Η επίδραση αυτής της ανακάλυψης εκτείνεται πολύ πέρα από το εργαστήριο, με πιθανή χρήση σε βιοϊατρικές συσκευές, ηλεκτρονικά, αποθήκευση πληροφοριών, μικρορευστοδυναμική και πολλές άλλες εφαρμογές λειτουργικών υλικών.»
Δημοσιεύτηκε στο Angewandte Chemie International Edition, η μελέτη σημειώνει τη σημασία της τροποποίησης των επιφανειών των πολυμερών με φως λέιζερ για την υποστήριξη προόδων σε διάφορους τομείς, ενώ επισημαίνει ότι τέτοιες τροποποιήσεις συνήθως απαιτούν ακριβά, υψηλής ισχύος λέιζερ, που επιπλέον χρειάζονται ειδικά εργαλεία και εγκαταστάσεις για τη μείωση του κινδύνου έκθεσης σε επικίνδυνο επίπεδο ακτινοβολίας. Επιπλέον, υπάρχουν τα ίδια τα συστήματα πολυμερών που τείνουν να είναι πολύπλοκα και ακριβά στην ανάπτυξη, ώστε τα λέιζερ να τα τροποποιούν εύκολα.
Ως εκ τούτου, απαιτούνται πολυμερή που είναι εύκολα προσβάσιμα και αντιδρούν όταν εκτίθενται σε χαμηλά επίπεδα ακτινοβολίας, καθώς αυτό θα σήμαινε πιο απλά, ασφαλέστερα και πιο οικονομικά συστήματα λέιζερ.
Η ανακάλυψη φθηνών και γρήγορα τροποποιήσιμων θειικών κοπολιμερών χρησιμοποιώντας λέιζερ που παρέχουν χαμηλής ισχύος ορατό και αόρατο υπέρυθρο φως καλύπτει αυτές τις ανάγκες. Για τη δημιουργία θειικών κοπολιμερών, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το στοιχειώδες θείο (S) και είτε κυκλοπενταδιένιο είτε δισκυκλοπενταδιένιο.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας μια σειρά χαμηλής ισχύος κυμάτων λέιζερ με μήκη κύματος 532, 638 και 786 nm, η ομάδα κατάφερε να τροποποιήσει τις επιφάνειες των πολυμερών. Αυτές οι τροποποιήσεις περιλαμβάνουν χάραξη μέσω αφαίρεσης υλικού ή ελεγχόμενης διόγκωσης.
Η μελέτη στη συνέχεια χρησιμοποίησε την τροποποίηση των συστημάτων πολυμερών μέσω λέιζερ και εύκολης σύνθεσης σε δύο εφαρμογές — αποθήκευση διαγράψιμης πληροφορίας και άμεση λαστινική λιθογραφία. Η υψηλή περιεκτικότητα σε θείο αυτών των πολυμερών μεταδίδει μια ποικιλία χημικών, φυσικών και οπτικών ιδιοτήτων, επιτρέποντας διάφορες εφαρμογές στην αποθήκευση ενέργειας, την οπτική θερμική απεικόνιση και τη σύνδεση μετάλλων.
Στη συνέχεια, υπάρχουν οι δεσμοί S−S που μπορούν να σπαστούν και να επανασυνδεθούν, επιτρέποντας την αποκατάσταση και τη χρήση. Η ευαισθησία των δεσμών S−S στα θειικά κοπολιμερή είναι αυτό που οδήγησε στις ανακαλύψεις της μελέτης. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η επιφάνεια του κοπολιμερούς άλλαξε οπτικά αμέσως μετά από έκθεση λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο σε διαδρόμου λέιζερ 690 nm, 1,10 mW. Η μελέτη δήλωσε:
«Δεδομένης της χαμηλής ισχύος του λέιζερ και των σύντομων χρόνων έκθεσης, αυτή η γρήγορη τροποποίηση του πολυμερούς ήταν μια έκπληξη.»
Οι Τροποποιήσεις με Λέιζερ Επιτρέπουν Διαγράψιμη Αποθήκευση Πληροφορίας
Το χημικό περιοδικό όπου δημοσιεύτηκε η μελέτη παρουσίασε επίσης μια έκδοση χάραξης με λέιζερ της διάσημης Μόνα Λίζα, μαζί με την εκτύπωση μικρο‑μπράιγ, η οποία ήταν μικρότερη ακόμη και από την στρογγυλή άκρη μιας βελόνας.
Χρηματοδοτημένη από το Australian Research Council, το Flinders Microscopy and Microanalysis, το ANFF‑SA και το Microscopy Australia, η μελέτη επισημαίνει μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τη χρήση πιο βιώσιμων υλικών. Συγκεκριμένα, η μελέτη χρησιμοποίησε ένα πολυμερές κατασκευασμένο από το φθηνό βιοπροϊόν βιομηχανίας, το στοιχειώδες θείο. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος μπορεί να μειώσει την ανάγκη για ακριβά, εξειδικευμένα εξοπλισμό. Είναι σημαντικό να σημειωθεί, ωστόσο, ότι τα λέιζερ υψηλής ισχύος ενέχουν κίνδυνο επικίνδυνης ακτινοβολίας.
Η ανακάλυψη έγινε κατά τη διάρκεια μιας ρουτινικής ανάλυσης ενός πολυμερούς που εφευρέθηκε πριν δύο χρόνια στο Chalker Lab από τον υποψήφιο διδάκτορα Samuel Tonkin και τον καθηγητή Χημείας Justin Chalke από το Ινστιτούτο Νανοκλίμακας Επιστήμης και Μηχανικής του Πανεπιστημίου Flinders.
Το νέο πολυμερές διαπιστώθηκε ότι τροποποιείται αμέσως μόλις το φως του λέιζερ αγγίξει την επιφάνειά του. Αυτό, όπως ανέφερε ο συν‑συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής του Πανεπιστημίου Flinders Δρ. Christopher Gibson, ήταν μια «ασυνήθιστη αντίδραση» που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ πριν σε άλλα κοινά πολυμερή. Δήλωσε:
«Άμεσα συνειδητοποιήσαμε ότι αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να είναι χρήσιμο σε πολλές εφαρμογές, οπότε δημιουργήσαμε ένα ερευνητικό έργο γύρω από την ανακάλυψη.»
Κατατάσσοντας το ως συναρπαστική εξέλιξη, η Abigail Mann, υποψήφια διδάκτορας στο Flinders College of Science and Engineering, δήλωσε ότι με τη χρήση νέων τεχνικών για την κατασκευή δομών μικρομέτρου και μικρότερης κλίμακας για υλικά βασισμένα σε θείο, «ελπίζουν να εμπνεύσουν ένα ευρύ φάσμα πραγματικών εφαρμογών στο εργαστήριό τους και πέρα από αυτό».
Αυτή η ανακάλυψη παρέχει έναν νέο τρόπο δημιουργίας ακριβών μοτίβων στην επιφάνεια του πολυμερούς. Αυτή η δυνατότητα έχει πιθανές εφαρμογές σε βιοϊατρικές συσκευές με δομημένες επιφάνειες, νέες μεθόδους χρήσης πολυμερών στην αποθήκευση δεδομένων, και εναλλακτικές προσεγγίσεις στην κατασκευή νανοκλίμακων συσκευών για μικρορευστοδυναμική, αισθητήρες και ηλεκτρονικά.
Σε μια πρακτική επίδειξη της δυνατότητας για διαγράψιμη αποθήκευση πληροφορίας, η μελέτη παρουσίασε τη δυνατότητα κωδικοποίησης ενός μηνύματος σε Μπράιγ. Αυτό επιτεύχθηκε με τη χρήση λέιζερ για τη δημιουργία ανυψωμένων κουκκίδων στο υλικό, αξιοποιώντας τους δυναμικούς δεσμούς S−S και ιδιότητες παρόμοιες με τα βιτρίμερα — μια κατηγορία πλαστικών που διευκόλυνε τόσο τη γραφή όσο και τη διαγραφή του μηνύματος.
Για να δημιουργήσουν τη γραφή του «μυστικού μηνύματος» σε Μπράιγ, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λέιζερ με χαμηλότερη ισχύ (638 nm, 2,4 mW). Οι ανυψωμένες κουκκίδες, με ύψος 3,6 μm±0,2 μm, σχηματίστηκαν εκθέτοντας την επιφάνεια του πολυμερούς στο λέιζερ για μόλις 1,3 δευτερόλεπτα.
Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε υψηλότερη ισχύ (638 nm, 5,4 mW) για τη δημιουργία εσοχών στις γωνίες μέσω αφαίρεσης υλικού. Και πάλι, η έκθεση στο λέιζερ ήταν 1,3 δευτερόλεπτα.
Η μελέτη διαπίστωσε ότι η θερμική επεξεργασία διέγραψε τις ανυψωμένες κουκκίδες όταν οι δείκτες τοποθετήθηκαν σε φούρνο στους 160 °C για 5 ώρες. Οι εσοχές που δημιουργήθηκαν με αφαίρεση υλικού, εν τω μεταξύ, παρέμειναν αμετάβλητες λόγω του μόνιμου απώλειας θείου από το πολυμερές.
Η διαδικασία αφαιρέσιμης κωδικοποίησης πληροφορίας, σύμφωνα με τη μελέτη, «αποτελεί μια νέα κατεύθυνση στα φωτοανταποκρινόμενα υλικά, με οφέλη στην απλότητα της σύνθεσης του υλικού και τη χρήση λέιζερ χαμηλής ισχύος».
Η μελέτη επέδειξε επίσης τη δημιουργία μιας σύνθετης μικροσκοπικής εικόνας χρησιμοποιώντας άμεση λαστινική λιθογραφία. Χρησιμοποιώντας λέιζερ 532 nm με ισχύ 7 % (1,3 mW), η ερευνητική ομάδα του Flinders παρήγαγε τις πιο λεπτές γραμμές του «Micro Lisa». Η μικροεικόνα είχε περίπου εννέα μm πλάτος και δύο μm βάθος. Τα μικρόμετρα ή μικρόμετρα, που αναπαρίστανται ως µm, ισοδυναμούν με ένα εκατομμυριοστό του μέτρου.
Χρησιμοποιώντας λέιζερ υψηλότερης ισχύος (3,0 mW), η ομάδα δημιούργησε στη συνέχεια τις πιο πλατιές και βαθιές γραμμές του τετράγωνου πλαισίου 23 μm πλάτος και πέντε μm βάθος. Αυτή η άμεση λαστινική λιθογραφία, σύμφωνα με την ομάδα, ξεχωρίζει για το χαμηλό κόστος των υποστρωμάτων πολυμερούς και την απλότητα του συστήματος λέιζερ.
Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς τα λέιζερ μπορεί να μεταμορφώσουν τους σύγχρονους υπολογιστές.
Συμπέρασμα
Όπως είδαμε σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιώντας λέιζερ χαμηλής ισχύος ορατό και υπέρυθρο φως, οι ερευνητές μπόρεσαν να τροποποιήσουν τα κοπολιμερή. Οι τροποποιήσεις ήταν γρήγορες, με χρόνους έκθεσης εξαιρετικά σύντομους — από χιλιοστά του δευτερολέπτου έως ένα δευτερόλεπτο. Αυτό το χρονικό πλαίσιο μπορεί να προσφέρει σημαντικό πλεονέκτημα σε διάφορους κλάδους, ειδικά σε αυτούς που απαιτούν γρήγορη ολοκλήρωση των διαδικασιών πρωτοτυπίας και παραγωγής.
Με τον έλεγχο του μήκους κύματος, της διαμέτρου και της ισχύος της δέσμης, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν ανυψωμένες κουκκίδες, τρύπες, εσοχές, κανάλια και ακίδες στην επιφάνεια του πολυμερούς. Αυτή η ευελιξία σημαίνει ότι μπορούν να δημιουργηθούν ακόμη και σύνθετα μοτίβα, βελτιώνοντας τις λειτουργίες και καλύπτοντας συγκεκριμένες εφαρμογές.
Αλλά αυτό δεν είναι το μόνο. Απλώς θερμαίνοντας το δείγμα, οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να διαγράψουν τις τροποποιήσεις διόγκωσης του πολυμερούς. Αυτές οι δυνατότητες είναι σημαντικές, όπως έδειξε η ομάδα με την άμεση λαστινική λιθογραφία σύνθετων εικόνων και τη διαγράψιμη κωδικοποίηση πληροφορίας.
Αυτή η μελέτη δεν παρείχε μόνο μια απλή μέθοδο καθώς και υλικά και συστήματα λέιζερ χαμηλού κόστους που μπορούν να προσφέρουν πιο προσιτές και οικονομικές λύσεις, αλλά μπορεί επίσης να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στην κρυπτογράφηση, την αποθήκευση δεδομένων και σε πολλούς άλλους τομείς όπου απαιτούνται προσωρινές τροποποιήσεις.
