Tietojen tallennus laseretsauksen avulla

Ensin vuonna 1960 kehitetyt laserit ovat kasvattaneet suosiotaan muutaman viime vuoden aikana. Laserteknologian maailmanlaajuiset markkinat on ennustettu kasvaa 35.4 miljardia dollaria vuoteen 2032 mennessä. Tämä kasvu on ajettu lasereiden kasvavasta kysynnästä eri aloilla, mukaan lukien viestintä, puolustus, tiede, turvallisuus, tietojen tallennus ja muut.

Lasereita, jotka ovat optisen vahvistuksen kautta valoa lähettäviä laitteita, käytetään laajalti etsaukseen. Laseretsaus on prosessi, jolla luodaan tuotteen pintaan merkintöjä, kuten QR-koodeja, viivakoodeja, logoja ja sarjanumeroita. Nämä merkinnät sisältävät tärkeitä tietoja, joiden avulla voidaan jäljittää tietyn tuotteen lähde koko sen elinkaaren ajan, mikä varmistaa tuotteen turvallisuuden ja kestävyyden. Lisäksi tämä prosessi käytetään luoda taideteoksia tuotteille.

Laseretsaus kuuluu laajempaan lasermerkintäluokkaan, joka sisältää myös laserhehkutuksen - prosessin, joka lämmittää materiaalia - ja laserkaiverruksen, johon sisältyy materiaalin höyrystäminen. Koska laser on erittäin monipuolinen, se voi syövyttää useimmat metallit.

Joten miten tämä toimii?

Merkin luomiseksi lasersäde lähettää suuren määrän energiaa keskittyneelle alueelle, joka sulattaa materiaalin pinnan. Pinnan laajentuessa ja jäähtyessä se muodostaa halutun merkin. Toisin kuin muut prosessit, jotka vain muuttavat pinnan väriä tai rakennetta, laseretsaus itse asiassa muuttaa pintaa luoden kohokuvion tai... uponnut alue, jolla on karkeampi rakenne.

Näin materiaalin pintaa laserin avulla muuttamalla syntyy erilaisia ​​pysyviä malleja ja kuvioita.

Erilaisia ​​etsaukseen käytettyjä lasereita ovat kuitu-, CO2-, kide-, diodilaserit ja diodipumpatut solid-state-laserit.

Tämä tapa luoda merkkejä materiaaliin tarjoaa etuja, kuten nopeuden ja laajan räätälöinnin. Se on myös kosketukseton menetelmä, joka ei aiheuta kemiallisia reaktioita tai mekaanisia rasituksia ja tuottaa laadukkaita jälkiä. Laseretsaus kestää myös ei-hankaavia käsittelyjä, kuten jauhemaalausta.

Lisäksi laseretsaus voi olla käytetty monenlaisiin materiaaleihin, kuten puuhun, nahkaan, muoviin, lasiin, keramiikkaan, luonnonkiveen ja puolijohteisiin. Se on myös tehokas lähes kaikkiin metalleihin, mukaan lukien alumiini, anodisoitu alumiini, lyijy, magnesium, teräs, sinkki, kupari, messinki ja titaani voidaan syövyttää. Pohjimmiltaan melkein minkä tahansa tyyppinen materiaali voidaan laseretsata. 

Laseretsaus ei kuitenkaan ole vailla ongelmia, kuten koneiden korkeat ennakkokustannukset. Lisäksi jäljet ​​voivat kulua hankaavissa ympäristöissä, kuten hiekkapuhalluksessa. 

Näistä haasteista huolimatta laseretsauksen edut ovat paljon suuremmat kuin sen haitat, joten sitä suositellaan useimpiin merkintäsovelluksiin. Laseretsaus käytetään laajalti monilla teollisuudenaloilla sen monipuolisuuden, tehokkuuden ja tarkkuuden vuoksi, mukaan lukien autoteollisuus, elektroniikka, pakkaus- ja puolustusmetallien valmistus, korut, taide ja lääketieteelliset laitteet.

Toinen mielenkiintoinen laseretsauksen sovellus on tiedon tallennus. Yli kymmenen vuotta sitten Hitachi puhui tietojen säilyttäminen satojen miljoonien vuosien ajan laserkoodaamalla sitä kvartsilasilevyihin. Tekniikka ei kuitenkaan ratkaissut valtavan tietomäärän hallintaongelmaa. 

Muutama vuosi sitten Peter Kazansky, Southamptonin yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskuksen professori, tallennettu 500 teratavua dataa pienellä lasilevyllä laseretsauksella.

Polysulfidipintojen muokkaaminen pienitehoisilla lasereilla

Laseretsauksen valtavat edut huomioon ottaen tutkijat ja tiedemiehet etsivät jatkuvasti tapoja parantaa tekniikkaa ja löytää uusia sovelluksia. Äskettäin Flindersin yliopiston tutkijat havaitsi, että edullinen, valoherkkä rikkiperäinen polymeeri on vastaanottavainen pienitehoisille näkyvän valon lasereille. 

Tyypillisesti erittäin suurista molekyyleistä koostuvien polymeerien pintojen muuttamiseksi tarvitsemme lasereita, jotka lähettävät erittäin suurta tehoa. Käyttää suuritehoisia lasereita, korkean teknologian elektroniikkaa, biolääketieteen tuotteita ja tietojen tallennusta komponentteja voidaan valmistaa. Viimeisimmän löydön myötä voimme kuitenkin nähdä edullisempia ja turvallisempia tuotantomenetelmiä. 

Tutkijakumppanin ja kirjoittajan tohtori Lynn Lisboan mukaan:

"Tämän löydön vaikutus ulottuu kauas laboratorion ulkopuolelle, ja sitä voidaan käyttää biolääketieteellisissä laitteissa, elektroniikassa, tiedontallennuksessa, mikrofluidiikassa ja monissa muissa toiminnallisten materiaalien sovelluksissa." 

Julkaistu Angewandte Chemie International Editionissa, opiskella panee merkille, että polymeeripintojen muokkaaminen laservalolla on tärkeää eri alojen edistymisen tukemiseksi, mutta huomauttaa, että tällaiset muutokset edellyttävät yleensä kalliita, suuritehoisia lasereita, jotka vaativat lisäksi erityisiä työkaluja ja laitteita vaarallisen säteilytason altistumisen riskin vähentämiseksi . Sitten on itse polymeerijärjestelmiä, jotka ovat yleensä monimutkaisia ​​ja kalliita kehittää, jotta laserit voivat muuttaa niitä helposti. 

Sellaisenaan tarvitaan polymeerejä, jotka ovat helposti saatavilla ja reagoivat alhaisille säteilytasoille, koska se tarkoittaisi yksinkertaisempia, turvallisempia ja taloudellisempia laserjärjestelmiä.

Edullisten ja nopeasti muunnettavien rikkikopolymeerien keksiminen käyttämällä lasereita, jotka tuottavat pienitehoista näkyvää ja näkymätöntä infrapunavaloa, vastaavat näihin tarpeisiin. Rikkikopolymeerien luomiseksi tutkijat käyttivät alkuainerikkiä (S) ja joko syklopentadieeniä tai disyklopentadieeniä. 

Sitten tiimi pystyi muokkaamaan polymeerien pintoja käyttämällä sarjaa pienitehoisia aaltolasereita, joiden aallonpituudet olivat 532, 638 ja 786 nm. Näihin muunnoksiin kuuluvat etsaus ablaation avulla tai kontrolloitu turvotus. 

Tutkimuksessa hyödynnettiin sitten polymeerijärjestelmien modifiointia laserilla ja helpolla synteesillä kahdessa sovelluksessa – pyyhittävissä tiedoissa ja suorassa laserlitografiassa. Näiden polymeerien korkea rikkipitoisuus siirtää erilaisia ​​kemiallisia, fysikaalisia ja optisia ominaisuuksia, mikä mahdollistaa monipuoliset sovellukset energian varastoinnissa, lämpökuvausoptiikassa ja metallien sitomisessa.

Sitten ovat S−S-sidokset, jotka voivat olla rikki ja uudistettu, mikä mahdollisti restauroinnin ja käytön. S−S-sidosten taipumus rikkikopolymeereihin johti tutkimuksen löydöksiin. Tutkijat totesivat erityisesti, että kopolymeerin pinta oli näkyvästi muuttunut heti alle 1 sekunnin altistuksen jälkeen 690 nm:n 1.10 mW:n diodilaserille. Tutkimuksessa todettiin:

"Kun otetaan huomioon laserin pieni teho ja lyhyet valotusajat, tämä nopea polymeerimuunnos oli yllätys." 

Lasermuutokset mahdollistavat poistettavan tiedon tallennuksen

Kemian julkaisussa, jossa tutkimus julkaistiin, oli myös laseretsattu versio kuuluisasta Mona Lisa -etsauksesta sekä mikropistekirjoitus, joka oli pienempi kuin neulan pyöreä pää.

Australian Research Councilin, Flinders Microscopy and Microanalysisin, ANFF-SA:n ja Microscopy Australian rahoittamassa tutkimuksessa korostetaan löytöä, joka voisi tasoittaa tietä kestävämpien materiaalien käytölle. Erityisesti tutkimuksessa käytettiin polymeeriä, joka oli valmistettu edullisesta teollisesta sivutuotteesta alkuainerikistä. Lisäksi tämä menetelmä voi vähentää kalliiden erikoislaitteiden tarvetta. On kuitenkin tärkeää huomata, että suuritehoiset laserit sisältävät vaarallisen säteilyn riskin.

Löytö tehtiin tohtori Samuel Tonkin ja kemian professori Justin Chalke Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineeringistä kaksi vuotta sitten Chalker Labissa keksimän polymeerin rutiinianalyysin aikana.

Uusi polymeeri Havaittiin muokattava heti, kun laservalo kosketti sen pintaa. Tämä, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja Flindersin yliopiston tutkija Dr. Christopher Gibson sanoi, oli "epätavallinen reaktio", jota ei ole havaittu havaittu ennen muita yleisiä polymeerejä. Hän sanoi:

"Ymmärsimme heti, että tästä ilmiöstä voi olla hyötyä useissa sovelluksissa, joten rakensimme tutkimusprojektin löydön ympärille." 

Abigail Mann, Flinders College of Science and Engineeringin tohtorikandidaatti, kutsui tätä jännittäväksi kehitykseksi, ja sanoi, että käyttämällä uusia tekniikoita mikrometrirakenteiden ja pienempien asteikkojen valmistamiseen rikkipohjaisille materiaaleille, he "toivovat inspiroivansa monenlaisia ​​todellisia maailman sovelluksia laboratorioissamme ja sen ulkopuolella."

Tämä löytö tarjoaa uuden tavan luoda tarkkoja kuvioita polymeerin pinnalle. Tällaisella kyvyllä on potentiaalisia sovelluksia biolääketieteellisissä laitteissa, joissa on kuviolliset pinnat, uusissa menetelmissä polymeerien käyttämiseksi tietojen tallentamisessa ja vaihtoehtoisissa lähestymistavoissa nanomittakaavan laitteiden valmistukseen mikrofluidiikkaa, antureita ja elektroniikkaa varten.

Käytännön osoituksena sen potentiaalista poistettavaa tiedon tallennusta, tutkimus esitteli kykyä koodata viesti pistekirjoituksella. Tämä saavutettiin käyttämällä laseria kohopisteiden luomiseen materiaaliin hyödyntäen dynaamisia S−S-sidoksia ja vitrimeeriä muistuttavia ominaisuuksia – muoviluokkaa, joka helpotti sekä viestin kirjoittamista että poistamista. 

Luodakseen "salaisen viestin" oikeinkirjoituksen pistekirjoituksella tutkijat käyttivät laseria pienemmällä lasertehoasetuksella (638 nm, 2.4 mW). Kohotetut pisteet, joiden korkeus oli 3.6 μm ± 0.2 μm, muodostettiin altistamalla polymeerin pinta laserille vain 1.3 sekunniksi.

Sitten tiimi käytti suurempaa tehoasetusta (638 nm, 5.4 mW) luodakseen kuoppia kulmiin ablaation ja materiaalin poiston avulla. Jälleen laservalotus oli tässäkin 1.3 sekuntia. 

Tutkimuksessa havaittiin, että lämpökäsittely pyyhki pois kohonneet pisteet, kun sitä inkuboitiin uunissa 160 °C:ssa 5 tuntia. Ablaatiolla muodostuneet kuopat säilyivät ehjinä, koska polymeeri menetti pysyvästi rikkiä. 

Tutkimuksen mukaan irrotettavan tiedon koodausprosessi "muodostaa uuden suunnan valoherkälle materiaalille, jonka etuja ovat materiaalisynteesin yksinkertaisuus ja pienitehoisten lasereiden käyttö".

Tutkimus osoitti lisäksi monimutkaisen mikromittakaavan kuvan luomisen suoralla laserlitografialla. Käyttämällä 532 nm:n laseria, joka toimii 7 % teholla (1.3 mW), Flindersin tutkimusryhmä loi "Micro Lisan" hienommat viivat. Mikrokuva oli noin yhdeksän μm leveä ja kaksi μm syvä. Mikronit tai mikrometrit, µm:nä, vastaavat yhtä miljoonasosaa metristä. 

Tämän jälkeen ryhmä loi suuremman tehon laserilla (3.0 mW) leveämpiä ja syvempiä viivoja 23 μm leveälle ja XNUMX μm syvälle neliömäiselle kehykselle. Tämä suora laserlitografia on tiimin mukaan erottuva polymeerisubstraattien alhaisten kustannusten ja laserjärjestelmän yksinkertaisuuden vuoksi.

Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja siitä, kuinka laserit voivat muuttaa nykyaikaisia ​​tietokoneita.

Yhteenveto

Kuten näimme tässä tutkimuksessa, käyttämällä pienitehoista näkyvää ja infrapuna laservaloa, tutkijat pystyivät muokkaamaan kopolymeerejä. Muutokset ovat olleet nopeita, ja valotusajat ovat olleet erittäin lyhyitä - millisekunneista, sekunnin tuhannesosasta sekuntiin. Tästä aikataulusta voi olla merkittävä etu useilla toimialoilla, erityisesti niillä, jotka vaativat koko prototyyppien ja valmistusprosessin olla valmis nopeasti.

Säätämällä säteen aallonpituutta, halkaisijaa ja tehoa tutkijat pystyivät luomaan kohotettuja pisteitä, reikiä, kuoppia, kanavia ja piikkejä polymeerin pinnalle. Tämän monipuolisuuden ansiosta voidaan luoda monimutkaisiakin kuvioita, jotka voivat parantaa toimintoja ja vastata tiettyihin sovelluksiin. 

Mutta tämä ei ole kaikki. Yksinkertaisesti kuumentamalla näytettä tutkijat pystyivät edelleen poistamaan polymeerin turpoamisen modifikaatiot. Nämä ominaisuudet ovat merkittäviä, kuten tiimi on osoittanut monimutkaisten kuvien suoralla laserlitografialla ja pyyhittävällä tiedon koodauksella.

Tämä tutkimus ei ole tarjonnut vain yksinkertaista menetelmää sekä edullisia materiaaleja ja laserjärjestelmiä, jotka voivat auttaa tarjoamaan helpommin saatavilla olevia ja kustannustehokkaampia ratkaisuja, vaan ne voivat olla myös erityisen hyödyllisiä salauksessa, tietojen tallentamisessa ja monilla muilla aloilla, joilla tilapäisiä muutoksia tehdään. tarvittu.

Napsauta tätä saadaksesi tietää, miksi lasereilla tulee olemaan keskeinen rooli tulevina päivinä.