Ciencia de materiales
Almacenamiento de datos mediante grabado láser
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Desarrollados por primera vez en 1960, los láseres han ido ganando popularidad en los últimos años. se proyecta que crezca hasta $35.4 mil millones para 2032. Este crecimiento está impulsado por la creciente demanda de láseres en diferentes sectores, incluyendo comunicaciones, defensa, ciencia, seguridad, almacenamiento de datos y más.
Los láseres, que son dispositivos que emiten luz mediante amplificación óptica, se utilizan ampliamente para el grabado. El grabado láser es un proceso para crear marcas en la superficie de un producto, como códigos QR, códigos de barras, logotipos y números de serie. Estas marcas contienen información vital para rastrear el origen de un producto a lo largo de todo su ciclo de vida, garantizando su seguridad y durabilidad. Además, este proceso se utiliza para crear obras de arte para los productos.
El grabado láser se incluye dentro de una categoría más amplia de marcaje láser, que también incluye el recocido láser —un proceso que calienta el material— y el grabado láser, que implica la vaporización del material. Al ser altamente versátil, el láser puede grabar la mayoría de los metales.
Entonces, ¿cómo funciona esto?
Para crear una marca, el haz láser emite una gran cantidad de energía en un área concentrada, fundiendo la superficie del material. A medida que la superficie se expande y se enfría, se forma la marca deseada. A diferencia de otros procesos que solo cambian el color o la textura de la superficie, el grabado láser realmente altera la superficie, creando una zona elevada o hundida con una textura más rugosa.
Así, al alterar la superficie de un material con la ayuda de un láser, se crean diferentes diseños y patrones permanentes.
Los diferentes tipos de láseres utilizados para el grabado incluyen láseres de fibra, CO2, cristal, láseres de diodo y láseres de estado sólido bombeados por diodo.
Este método de crear marcas en un material ofrece beneficios como la rapidez y una amplia personalización. También es un método sin contacto que no provoca reacciones químicas ni genera tensiones mecánicas y produce marcas de calidad superior. El grabado láser también puede resistir tratamientos no abrasivos como el recubrimiento en polvo.
Además, el grabado láser puede utilizarse en una amplia variedad de materiales como madera, cuero, plásticos, vidrio, cerámica, piedra natural y semiconductores. También es eficaz en casi todos los metales, incluyendo aluminio, aluminio anodizado, plomo, magnesio, acero, zinc, cobre, latón y titanio pueden ser grabados. Básicamente, casi cualquier tipo de material puede ser grabado con láser.
Sin embargo, el grabado láser no está exento de problemas, como los altos costos iniciales de las máquinas. Además, las marcas pueden desgastarse en entornos abrasivos, como los expuestos a chorro de arena.
A pesar de estos desafíos, los beneficios del grabado láser superan con creces sus desventajas, lo que lo hace recomendado para la mayoría de las aplicaciones de marcaje. El grabado láser se utiliza ampliamente en muchas industrias por su versatilidad, eficiencia y precisión, incluyendo la automotriz, electrónica, embalaje y fabricación de metales de defensa, joyería, arte y dispositivos médicos.
Otra aplicación interesante del grabado láser es el almacenamiento de datos. Hace más de una década, Hitachi habló sobre preservar información por cientos de millones de años mediante la codificación láser en bloques de vidrio de cuarzo. Sin embargo, la técnica no abordó el problema de gestionar la enorme cantidad de datos.
Hace unos años, Peter Kazansky, profesor del Centro de Investigación en Optoelectrónica de la Universidad de Southampton, almacenó 500 terabytes de datos en un pequeño disco de vidrio mediante grabado láser.
Modificación de superficies de polisulfuro con láseres de baja potencia
Dado los enormes beneficios del grabado láser, los investigadores y científicos siempre buscan formas de mejorar la tecnología y encontrar nuevas aplicaciones. Recientemente, investigadores de la Universidad de Flinders descubrieron que un polímero derivado del azufre, económico y sensible a la luz es receptivo a láseres de baja potencia y luz visible.
Normalmente, para alterar las superficies de los polímeros, que consisten en moléculas muy grandes, necesitamos láseres que emitan muy alta potencia. Al usar láseres de alta potencia, se pueden producir componentes de electrónica de alta tecnología, productos biomédicos y almacenamiento de datos componentes pueden ser producidos. Sin embargo, con el último descubrimiento, podemos ver métodos de producción más asequibles y seguros.
Según la investigadora asociada y coautora Dra. Lynn Lisboa:
“El impacto de este descubrimiento se extiende mucho más allá del laboratorio, con un uso potencial en dispositivos biomédicos, electrónica, almacenamiento de información, microfluidos y muchas otras aplicaciones de materiales funcionales.”
Publicado en Angewandte Chemie International Edition, el estudio destaca la importancia de modificar superficies de polímeros con luz láser para apoyar avances en varios campos, al tiempo que señala que tales alteraciones generalmente requieren láseres costosos y de alta potencia, los cuales además necesitan herramientas y instalaciones especiales para reducir el riesgo de exposición a niveles peligrosos de radiación. Además, los propios sistemas de polímeros tienden a ser complejos y costosos de desarrollar para que los láseres puedan alterarlos con facilidad.
Por lo tanto, se necesitan polímeros que sean fácilmente accesibles y que reaccionen al exponerse a bajos niveles de radiación, ya que eso implicaría sistemas láser más simples, seguros y económicos.
El descubrimiento de copolímeros de azufre económicos y rápidamente modificables mediante láseres que emiten luz visible de baja potencia e infrarroja invisible responde a estas necesidades. Para crear copolímeros de azufre, los investigadores utilizaron azufre elemental (S) y ya sea ciclopentadieno o diciclopentadieno.
Luego, usando una serie de láseres de onda de baja potencia con longitudes de onda de 532, 638 y 786 nm, el equipo pudo modificar las superficies de los polímeros. Estas modificaciones incluyen grabado mediante ablación o hinchamiento controlado.
El estudio luego utilizó la modificación de sistemas poliméricos mediante láser y síntesis sencilla en dos aplicaciones: almacenamiento de información borrable y litografía láser directa. El alto contenido de azufre de estos polímeros confiere una variedad de propiedades químicas, físicas y ópticas, habilitando diversas aplicaciones en almacenamiento de energía, óptica de imágenes térmicas y unión de metales.
Luego, están los enlaces S−S que pueden romperse y reformarse, permitiendo la restauración y el uso. La vulnerabilidad de los enlaces S−S en los copolímeros de azufre es lo que llevó a los descubrimientos del estudio. En particular, los investigadores observaron que la superficie del copolímero se alteró visiblemente justo después de una exposición de menos de 1 segundo a un láser de diodo de 690 nm, 1,10 mW. El estudio afirmó:
«Dada la baja potencia del láser y los breves tiempos de exposición, esta rápida modificación del polímero fue una sorpresa.»
Las modificaciones láser permiten almacenamiento de información borrable
La revista de química donde se publicó el estudio también presentó una versión grabada con láser de la famosa obra Mona Lisa junto con la impresión de un micro-braille, que era más pequeño incluso que la cabeza redonda de una aguja.
Financiado por el Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA y Microscopy Australia, el estudio destaca un descubrimiento que podría allanar el camino para el uso de materiales más sostenibles. Específicamente, el estudio utilizó un polímero hecho a partir del subproducto industrial de bajo costo, azufre elemental. Además, este método puede mitigar la necesidad de equipos costosos y especializados. Es importante señalar, sin embargo, que los láseres de alta potencia conllevan el riesgo de radiación peligrosa.
El descubrimiento se realizó durante un análisis de rutina de un polímero inventado hace dos años en el Laboratorio Chalker por el candidato a doctorado Samuel Tonkin y el profesor de química Justin Chalke del Instituto de Ciencia y Ingeniería a Nanoescala de la Universidad de Flinders.
El nuevo polímero se descubrió que se modificaba justo cuando la luz del láser tocaba su superficie. Esto, según el coautor del estudio y investigador de la Universidad de Flinders, Dr. Christopher Gibson, fue una “respuesta inusual” que no se había observado antes en ningún otro polímero común. Él dijo:
“Nos dimos cuenta de inmediato de que este fenómeno podría ser útil en una serie de aplicaciones, así que construimos un proyecto de investigación alrededor del descubrimiento.”
Calificando esto como un desarrollo emocionante, Abigail Mann, candidata a doctorado del Colegio de Ciencia e Ingeniería de Flinders, dijo que al usar técnicas novedosas para fabricar estructuras de micrómetros y escalas menores para materiales basados en azufre, “esperan inspirar una amplia gama de aplicaciones del mundo real en nuestro laboratorio y más allá”.
Este descubrimiento ofrece una nueva forma de generar patrones precisos en la superficie del polímero. Tal capacidad tiene aplicaciones potenciales en dispositivos biomédicos con superficies estructuradas, métodos novedosos para usar polímeros en el almacenamiento de datos y enfoques alternativos para la fabricación de dispositivos a nanoescala para microfluidos, sensores y electrónica.
En una demostración práctica de su potencial para el almacenamiento de información borrable, el estudio mostró la capacidad de codificar un mensaje en Braille. Esto se logró utilizando un láser para crear puntos elevados en el material, aprovechando los enlaces dinámicos S−S y propiedades similares a vitrimer —una categoría de plásticos que facilitó tanto la escritura como el borrado del mensaje.
Para crear la escritura de “mensaje secreto” en Braille, los investigadores usaron un láser con una configuración de menor potencia (638 nm, 2,4 mW). Los puntos elevados, que tenían una altura de 3,6 μm ± 0,2 μm, se formaron exponiendo la superficie del polímero al láser durante solo 1,3 segundos.
Luego, el equipo utilizó una configuración de mayor potencia (638 nm, 5,4 mW) para crear cavidades en las esquinas mediante ablación y eliminación de material. Nuevamente, la exposición al láser también fue de 1,3 segundos.
El estudio encontró que el tratamiento térmico borró los puntos elevados cuando se incubó en un horno a 160 °C durante 5 horas. Las cavidades formadas por ablación, mientras tanto, permanecieron intactas debido a que el polímero perdió permanentemente azufre.
El proceso de codificación de información removible, según el estudio, “constitute una nueva dirección en materiales fotoresponsivos, con beneficios en la simplicidad de la síntesis del material y el uso de láseres de baja potencia”.
El estudio también demostró la generación de una imagen compleja a microescala mediante litografía láser directa. Usando un láser de 532 nm operando al 7 % de potencia (1,3 mW), el equipo de investigación de Flinders generó las líneas más finas del “Micro Lisa”. La microimagen tenía aproximadamente nueve μm de ancho y dos μm de profundidad. Los micrones o micrómetros, representados como µm, equivalen a una millonésima parte de un metro.
Usando un láser de mayor potencia (3,0 mW), el equipo luego generó las líneas más anchas y profundas del marco cuadrado de 23 μm de ancho y cinco μm de profundidad. Esta litografía láser directa, según el equipo, se destaca por el bajo costo de los sustratos de polímero y la simplicidad del sistema láser.
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Conclusión
Como vimos en este estudio, al usar luz láser visible e infrarroja de baja potencia, los investigadores pudieron modificar copolímeros. Las modificaciones han sido rápidas, con tiempos de exposición extremadamente cortos — desde milisegundos, una milésima de segundo, hasta un segundo. Esta escala de tiempo puede ser de gran ventaja en varias industrias, especialmente aquellas que requieren que todo el proceso de prototipado y fabricación se realice rápidamente.
Al controlar la longitud de onda, el diámetro y la potencia del haz, los investigadores pudieron crear puntos elevados, agujeros, cavidades, canales y picos en la superficie del polímero. Esta versatilidad significa que incluso se pueden crear patrones complejos, lo que puede mejorar funcionalidades y satisfacer aplicaciones específicas.
Pero eso no es todo. Simplemente al calentar la muestra, los investigadores pudieron además borrar las modificaciones de hinchamiento del polímero. Estas capacidades son significativas, como demostró el equipo con litografía láser directa de imágenes complejas y codificación de información borrable.
Este estudio no solo ha proporcionado un método sencillo, así como materiales y sistemas láser de bajo costo que pueden ayudar a ofrecer soluciones más accesibles y rentables, sino que también puede ser específicamente útil en encriptación, almacenamiento de datos y muchos otros campos donde se necesitan modificaciones temporales.
