Datan tallentaminen laserkaiverruksella

Ensimmäisen kerran kehitetty vuonna 1960, laserit ovat kasvaneet suosiotaan viime vuosina. Globaali laser‑teknologian markkina odotetaan kasvanut $35.4 bln vuoteen 2032. Tämä kasvu johtuu laserien kasvavasta kysynnästä eri sektoreilla, kuten viestintä, puolustus, tiede, turvallisuus, datan tallennus ja muut.

Laserit, jotka ovat laitteita, jotka säteilevät valoa optisen vahvistuksen avulla, ovat laajasti käytössä kaiverruksessa. Laserkaiverrus on prosessi, jonka avulla luodaan merkintöjä tuotteen pinnalle, kuten QR-koodeja, viivakoodeja, logoja ja sarjanumeroita. Nämä merkinnät sisältävät olennaista tietoa tietyn tuotteen alkuperän seuraamiseksi koko sen elinkaaren ajan, varmistaen sen turvallisuuden ja kestävyyden. Lisäksi tätä prosessia käytetään luomaan taidetta tuotteille.

Laserkaiverrus kuuluu laajempaan lasermerkintöjen kategoriaan, johon sisältyvät myös laserlämmitys – prosessi, joka kuumentaa materiaalin – ja laserkaivertaminen, jossa materiaalia höyrystetään. Erittäin monipuolinen laser voi kaivertaa suurimman osan metalleista.

Joten, miten tämä toimii?

Merkinnän luomiseksi laserin säde vapauttaa suuren määrän energiaa keskitetylle alueelle, sulattaen materiaalin pinnan. Kun pinta laajenee ja jäähtyy, se muodostaa halutun merkinnän. Toisin kuin muut prosessit, jotka vain muuttavat pinnan väriä tai tekstuuria, laserkaiverrus muuttaa itse pintaa, luoden koholla olevan tai alhaalla olevan alueen, jonka tekstuuri on karheampi.

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

Erilaisia laser‑tyyppejä, joita käytetään kaiverrukseen, ovat kuitu‑, CO2‑, kristalli‑, diode‑ ja diode‑pumppaus kiinteätilalaserit.

Tämä menetelmä, jolla luodaan merkintöjä materiaalille, tarjoaa etuja kuten nopeus ja laaja räätälöinti. Se on myös kosketukseton menetelmä, joka ei aiheuta kemiallisia reaktioita tai mekaanisia rasituksia ja tuottaa korkealaatuisia merkintöjä. Laserkaiverrus kestää myös ei‑hierovia käsittelyjä, kuten jauhepinnoitusta.

Lisäksi laserkaiverrusta voidaan käyttää laajassa valikoimassa materiaaleja, kuten puu, nahka, muovit, lasi, keramiikka, luonnonkivi ja puolijohteet. Se on myös tehokas lähes kaikilla metalleilla, mukaan lukien alumiini, anodisoitu alumiini, lyijy, magnesium, teräs, sinkki, kupari, messinki ja titaani, joita voidaan kaivertaa. Käytännössä lähes mikä tahansa materiaali voidaan laserkaivertaa. 

Kuitenkin laserkaiverrus ei ole ongelmaton, esimerkiksi laitteiden korkeat alkuinvestoinnit. Lisäksi merkinnät voivat kulua kulutusharjoissa, kuten hiekkapuhalluksessa. 

Näistä haasteista huolimatta laserkaiverruksen hyödyt ylittävät selvästi sen haitat, mikä tekee siitä suositeltavan useimmissa merkintäsovelluksissa. Laserkaiverrusta käytetään laajasti monilla teollisuudenaloilla sen monipuolisuuden, tehokkuuden ja tarkkuuden vuoksi, mukaan lukien autoteollisuus, elektroniikka, pakkaus, puolustusmetallin valmistus, korut, taide ja lääketieteelliset laitteet.

Toinen mielenkiintoinen laserkaiverruksen sovellus on datan tallennus. Yli vuosikymmen sitten Hitachi puhui tiedon säilyttämisestä sadoille miljoonille vuosille laser‑koodattuna kvartsilasi‑levyihin. Kuitenkin tekniikka ei ratkaissut suurten datamäärien hallintaa. 

Muutama vuosi sitten Peter Kazansky, professori Optoelectronics Research Centre -laitoksessa Southamptonin yliopistossa, tallensi 500 teratavua dataa pienelle lasilevylle laserkaiverruksen avulla.

Polysulfiidipintojen muokkaus matalatehoisilla laseilla

Ottaen huomioon laserkaiverruksen valtavat hyödyt, tutkijat ja tiedemiehet etsivät jatkuvasti tapoja parantaa teknologiaa ja löytää uusia sovelluksia. Äskettäin Flindersin yliopiston tutkijat löysivät, että edullinen, valoa reagoiva rikki‑pohjainen polymeeri on vastaanottavainen matalatehoisille näkyvän valon laseille. 

Tyypillisesti polymerien pintojen muokkaamiseen, jotka koostuvat erittäin suurista molekyyleistä, tarvitaan erittäin tehoisia laseja. Korkeatehoisia laseja käyttäen voidaan valmistaa korkean teknologian elektroniikkaa, biolääketieteellisiä tuotteita ja datan tallennuskomponentteja. Kuitenkin uusimman löydön myötä näemme edullisempia ja turvallisempia tuotantomenetelmiä. 

Tutkimusassistentin ja yhteiskirjoittajan Dr Lynn Lisboa:

“Tämän löydön vaikutus ulottuu paljon laboratoriota pidemmälle, mahdollisilla sovelluksilla biolääketieteellisissä laitteissa, elektroniikassa, tiedon tallennuksessa, mikrofluidiikassa ja monissa muissa toiminnallisissa materiaalisovelluksissa.” 

Julkaistu Angewandte Chemie International Edition -lehdessä, tutkimus korostaa polymeripintojen muokkaamisen tärkeyttä laservalon avulla tukemassa edistysaskeleita eri aloilla, samalla huomauttaen, että tällaiset muutokset vaativat yleensä kalliita, korkean tehon laseja, jotka puolestaan edellyttävät erityisiä välineitä ja tiloja säteilyn vaarallisen tason vähentämiseksi. Lisäksi polymerijärjestelmät itsessään ovat monimutkaisia ja kalliita kehittää, jotta laserit voivat muokata niitä helposti. 

Siksi tarvitaan helposti saatavilla olevia polymeereja, jotka reagoivat matalille säteilytasolle, sillä se merkitsisi yksinkertaisempia, turvallisempia ja taloudellisempia lasersysteemejä.

Edullisten ja nopeasti muokattavien rikki‑kopolymereiden löytäminen laserien avulla, jotka tuottavat matalatehoista näkyvää ja näkymätöntä infrapunasäteilyä, vastaa näihin tarpeisiin. Rikki‑kopolymereiden valmistamiseksi tutkijat käyttivät alkuelementtiä rikkiä (S) ja joko syklopeenidia tai dicyklopeenidia. 

Sitten, käyttäen matalatehoisia aallonpituuksia 532, 638 ja 786 nm laseria, tiimi pystyi muokkaamaan polymerien pintoja. Nämä muokkaukset sisältävät kaiverruksen ablaatiolla tai hallitun turpoamisen. 

Tutkimus käytti polymerijärjestelmien muokkaamista laserin ja helpon synteesin avulla kahdessa sovelluksessa – poistettavassa tiedon tallennuksessa ja suoran laser‑litografian avulla. Näiden polymerien korkea rikki‑pitoisuus antaa monenlaisia kemiallisia, fysikaalisia ja optisia ominaisuuksia, mahdollistamalla monipuoliset sovellukset energian tallennuksessa, lämpökuvausoptikassa ja metallin sitomisessa.

Sitten, S−S‑sidokset, jotka voidaan rikkoa ja muodostaa uudelleen, mahdollistavat palautuksen ja käytön. S−S‑sidosten haavoittuvuus rikki‑kopolymereissa johti tutkimuksen löydöksiin. Erityisesti tutkijat havaitsivat, että kopolymerin pinta muuttui näkyvästi vähemmän kuin sekunnin altistuksen jälkeen 690 nm, 1.10 mW diode‑laserilla. Tutkimus totesi:

“Kun otetaan huomioon laserin matala teho ja lyhyet altistusaikojen, tämä nopea polymerin muokkaus oli yllättävä.”

Lasermuokkaukset mahdollistavat poistettavan tiedon tallennuksen

Kemian lehti, jossa tutkimus julkaistiin, sisälsi myös laserkaiverrettua versiota kuuluisasta Mona Lisa -kaiverruksesta sekä mikro‑braillen painatusta, joka oli pienempi kuin jopa neulanpää.

Australian Research Councilin, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF‑SA ja Microscopy Australia -rahoittama tutkimus korostaa löytöä, joka voi avata tien kestävämpien materiaalien käyttöön. Erityisesti tutkimus käytti alhaisen kustannuksen teollisen sivutuotteen alkuelementtiä rikkiä. Lisäksi tämä menetelmä voi vähentää kalliiden, erikoislaitteiden tarvetta. On kuitenkin tärkeää huomata, että korkean tehon laserit kantavat vaarallisen säteilyn riskin.

Löytö tehtiin rutiinianalyysinä kahden vuoden vanhasta polymerista, jonka kehitti Chalker Labin tohtoriopiskelija Samuel Tonkin ja Flindersin yliopiston kemian professori Justin Chalke NanoScale Science and Engineering -instituutissa.

Uusi polymeeri havaittiin muokattavaksi heti, kun laservalon kosketti sen pintaa. Tämä, Flindersin yliopiston tutkija Dr Christopher Gibsonin mukaan, oli “epätavallinen reaktio”, jota ei ole aiemmin havaittu muissa tavallisissa polymeereissa. Hän sanoi:

“Me tajusimme välittömästi, että tämä ilmiö voisi olla hyödyllinen useissa sovelluksissa, joten rakensimme tutkimusprojektin löydöksen ympärille.”

Kutsuen tätä jännittäväksi kehitykseksi, Abigail Mann, Flinders College of Science and Engineering -tohtoriopiskelija, sanoi, että käyttämällä uusia tekniikoita mikrometrin ja sitä pienempien rakenteiden valmistamiseen rikki‑pohjaisille materiaaleille, he “toivovat inspiroivansa laajaa valikoimaa todellisia sovelluksia laboratoriossamme ja sen ulkopuolella”.

Tämä löytö tarjoaa uuden tavan luoda tarkkoja kuvioita polymeripinnalle. Tällainen kyky mahdollistaa sovelluksia biolääketieteellisissä laitteissa, joissa on kuvioidut pinnat, uusissa menetelmissä polymerien käytössä tiedon tallennuksessa sekä vaihtoehtoisia lähestymistapoja nanoskaalan laitteiden valmistukseen mikrofluidiikassa, antureissa ja elektroniikassa.

Käytännön demonstraatiossa sen potentiaalista poistettavassa tiedon tallennuksessa tutkimus esitteli kyvyn koodata viesti Braille‑merkkeinä. Tämä saavutettiin käyttämällä laseria kohonnut pisteiden luomiseen materiaalissa, hyödyntäen dynaamisia S−S‑sidoksia ja vitrimer‑tyyppisiä ominaisuuksia – muovia, joka mahdollisti sekä viestin kirjoittamisen että poistamisen.

Luodakseen “salainen viesti” -sanan Braille‑merkkeinä, tutkijat käyttivät laseria alhaisemmalla teholla (638 nm, 2.4 mW). Kohonnut pisteet, joiden korkeus oli 3.6 µm±0.2 µm, muodostettiin altistamalla polymerin pintaa laserille vain 1.3 sekunnin ajan.

Sitten tiimi käytti korkeampaa tehoa (638 nm, 5.4 mW) luodakseen kuoppia kulmissa ablaation ja materiaalin poistamisen avulla. Myös tässä laserin altistus oli 1.3 sekuntia. 

Tutkimus havaitsi, että lämpökäsittely poisti kohonnut pisteet, kun ne inkuboitiin uunissa 160 °C:ssa 5 tuntia. Ablationin luomat kuopat pysyivät kuitenkin ehjinä, koska polymeeri menetti pysyvästi rikin.

Poistettavan tiedon koodausprosessi, tutkimuksen mukaan, “edustaa uutta suuntausta valosensitiivisissä materiaaleissa, hyötyen materiaalin synteesin yksinkertaisuudesta ja matalatehoisten laserien käytöstä.”

Tutkimus osoitti myös monimutkaisen mikroskooppisen kuvan luomisen suoran laser‑litografian avulla. Käyttäen 532 nm laseria, joka toimi 7 % teholla (1.3 mW), Flindersin tutkimusryhmä loi “Micro Lisa” -kuvan hienovaraiset viivat. Mikrokuva oli noin yhdeksän µm leveä ja kaksi µm syvä. Mikronit tai mikrometrit, jotka merkitään µm, vastaavat miljoonasosaa metristä.

Käyttäen korkeampitehoista laseria (3.0 mW), tiimi loi laajemmat ja syvemmät viivat 23 µm leveän ja viisi µm syvän neliökehikon. Tämä suora laser‑litografia, tiimin mukaan, erottuu matalan polymerialustan kustannuksen ja laserijärjestelmän yksinkertaisuuden perusteella.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten laserit saattavat muuttaa moderneja tietokoneita.

Johtopäätös

Kuten tässä tutkimuksessa nähtiin, käyttämällä matalatehoista näkyvää ja infrapuna‑laservaloa, tutkijat pystyivät muokkaamaan kopolymeereja. Muokkaukset ovat tapahtuneet nopeasti, altistusaikojen ollessa äärimmäisen lyhyitä – millisekunneista, sekunnin tuhannesosasta sekuntiin. Tämä aikaskaalan etu voi olla merkittävä monilla teollisuudenaloilla, erityisesti niillä, jotka vaativat prototyyppien ja valmistusprosessien nopeaa toteutusta.

Säätämällä aallonpituutta, säteen halkaisijaa ja tehoa, tutkijat pystyivät luomaan kohonnut pisteet, reiät, kuopat, kanavat ja piikit polymeripinnalle. Tämä monipuolisuus tarkoittaa, että jopa monimutkaiset kuviot voidaan luoda, mikä voi parantaa toimintoja ja täyttää erityisiä sovelluksia.

Mutta tämä ei ole kaikki. Lämmittelemällä näytettä, tutkijat pystyivät myös poistamaan polymerin turpoamismuutokset. Nämä kyvyt ovat merkittäviä, kuten tiimi osoitti suoran laser‑litografian avulla monimutkaisten kuvien ja poistettavan tiedon koodauksen.

Tämä tutkimus on tarjonnut paitsi yksinkertaisen menetelmän myös edulliset materiaalit ja laserijärjestelmät, jotka voivat auttaa tarjoamaan helpommin saatavilla olevia ja kustannustehokkaita ratkaisuja, ja voivat olla erityisen hyödyllisiä salauksessa, datan tallennuksessa ja monilla muilla aloilla, joissa tilapäisiä muokkauksia tarvitaan.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miksi laserit ovat asetettuja näyttelemään keskeistä roolia tulevina päivinä.