Stockage de données par gravure laser

Développés pour la première fois en 1960, les lasers ont gagné en popularité ces dernières années. Le marché mondial de la technologie laser est projeté grandir jusqu'à 35.4 milliards de dollars d’ici 2032. Cette croissance est conduit par la demande croissante de lasers dans différents secteurs, notamment la communication, la défense, la science, la sécurité, le stockage de données, etc.

Les lasers, qui émettent de la lumière via une amplification optique, sont largement utilisés pour la gravure. La gravure laser est un processus permettant de créer des marquages ​​sur la surface d'un produit, tels que des codes QR, des codes-barres, des logos et des numéros de série. Ces marquages ​​contiennent des informations vitales pour suivre la source d'un produit particulier tout au long de son cycle de vie, garantissant ainsi sa sécurité et sa durabilité. De plus, ce processus est utilisé pour créer des illustrations pour les produits.

La gravure au laser appartient à une catégorie plus large de marquage au laser, qui comprend également le recuit au laser (un processus qui chauffe le matériau) et la gravure au laser, qui implique la vaporisation du matériau. Très polyvalent, le laser peut graver la plupart des métaux.

Donc comment ça fonctionne?

Pour créer une marque, le faisceau laser émet une forte quantité d'énergie sur une zone concentrée, faisant fondre la surface du matériau. En se dilatant et en refroidissant, la surface forme la marque souhaitée. Contrairement à d'autres procédés qui modifient simplement la couleur ou la texture de la surface, la gravure laser modifie réellement la surface, créant un relief ou une creux zone avec une texture plus rugueuse.

Ainsi, en modifiant la surface d’un matériau à l’aide d’un laser, différents motifs et motifs permanents sont créés.

Différents types de lasers utilisés pour la gravure comprennent les lasers à fibre, à CO2, à cristal, à diode et les lasers à semi-conducteurs pompés par diode.

Cette méthode de création de marques sur un matériau offre des avantages tels que la rapidité et une personnalisation étendue. C'est également une méthode sans contact qui ne provoque pas de réactions chimiques, ne crée pas de contraintes mécaniques et produit des marquages ​​de qualité supérieure. La gravure au laser peut également résister à des traitements non abrasifs tels que le revêtement en poudre.

De plus, la gravure au laser peut être utilisés sur une grande variété de matériaux tels que le bois, le cuir, les plastiques, le verre, la céramique, la pierre naturelle et les semi-conducteurs. Il est également efficace sur presque tous les métaux, y compris l'aluminium, l'aluminium anodisé, le plomb, le magnésium, l'acier, le zinc, le cuivre, le laiton et le titane. Fondamentalement, presque tous les types de matériaux peuvent être gravés au laser. 

Cependant, la gravure au laser n’est pas sans problèmes, comme les coûts initiaux élevés pour les machines. De plus, les marques peuvent s'user dans des environnements abrasifs, tels que ceux exposés au sablage. 

Malgré ces défis, les avantages de la gravure laser dépassent de loin ses inconvénients, ce qui la rend recommandée pour la plupart des applications de marquage. Gravure laser est largement utilisé dans de nombreux secteurs pour sa polyvalence, son efficacité et sa précision, notamment l'automobile, l'électronique, l'emballage et la fabrication de métaux de défense, la bijouterie, l'art et les dispositifs médicaux.

Une autre application intéressante de la gravure laser est le stockage de données. Il y a plus de dix ans, Hitachi parlait de préserver les informations Pendant des centaines de millions d'années, en les codant au laser dans des plaques de verre de quartz. Cependant, cette technique ne résolvait pas le problème de la gestion de cette énorme quantité de données. 

Il y a quelques années, Peter Kazansky, professeur au Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton, stockée 500 téraoctets de données sur un petit disque de verre par gravure laser.

Modification des surfaces en polysulfure avec des lasers de faible puissance

Compte tenu des nombreux avantages de la gravure laser, les chercheurs et les scientifiques sont toujours à la recherche de moyens d’améliorer la technologie et de trouver de nouvelles applications. Récemment, des chercheurs de l'Université Flinders découvert qu'un polymère dérivé du soufre peu coûteux et sensible à la lumière est réceptif aux lasers à lumière visible de faible puissance. 

Généralement, pour modifier les surfaces des polymères, constitués de très grosses molécules, nous avons besoin de lasers émettant une puissance très élevée. Utilisation de lasers haute puissance, d'électronique de haute technologie, de produits biomédicaux et de stockage de données les composants peuvent être produits. Cependant, grâce aux dernières découvertes, nous pouvons voir des méthodes de production plus abordables et plus sûres. 

Selon le Dr Lynn Lisboa, associée de recherche et co-auteure :

"L'impact de cette découverte s'étend bien au-delà du laboratoire, avec une utilisation potentielle dans les dispositifs biomédicaux, l'électronique, le stockage d'informations, la microfluidique et de nombreuses autres applications de matériaux fonctionnels." 

Publié dans Angewandte Chemie International Edition, le étude souligne l'importance de modifier les surfaces polymères à l'aide de la lumière laser pour soutenir les progrès dans divers domaines, tout en soulignant que de telles modifications nécessitent généralement des lasers coûteux et de grande puissance, qui nécessitent en outre des outils et des installations spéciaux pour réduire le risque d'exposition à un niveau dangereux de rayonnement . Ensuite, il existe des systèmes polymères eux-mêmes qui ont tendance à être complexes et coûteux à développer afin que les lasers puissent les modifier facilement. 

En tant que tels, des polymères facilement accessibles et réactifs lorsqu’ils sont exposés à de faibles niveaux de rayonnement sont nécessaires, car cela signifierait des systèmes laser plus simples, plus sûrs et plus économiques.

La découverte de copolymères de soufre peu coûteux et rapidement altérables à l’aide de lasers fournissant une lumière infrarouge visible et invisible de faible puissance répond à ces besoins. Pour créer des copolymères de soufre, les chercheurs ont utilisé le soufre élémentaire (S) et le cyclopentadiène ou le dicyclopentadiène. 

Ensuite, grâce à une série de lasers à faible puissance de longueurs d'onde de 532, 638 et 786 nm, l'équipe a pu modifier la surface des polymères. Ces modifications incluent la gravure par ablation ou par gonflement contrôlé. 

L'étude a ensuite utilisé la modification de systèmes polymères par laser et synthèse simplifiée dans deux applications : le stockage d'informations effaçables et la lithographie laser directe. La forte teneur en soufre de ces polymères confère diverses propriétés chimiques, physiques et optiques, permettant diverses applications dans le stockage d'énergie, l'imagerie thermique et la liaison des métaux.

Ensuite, il y a les liaisons S−S qui peuvent être brisé et reformé, permettant sa restauration et son utilisation. La fiabilité des liaisons S−S dans les copolymères de soufre est à l'origine des découvertes de l'étude. Les chercheurs ont notamment noté que la surface du copolymère a été visiblement altérée juste après avoir eu une exposition de moins d'une seconde à une diode laser de 1 nm et 690 mW. L’étude indiquait :

"Compte tenu de la faible puissance du laser et des temps d'exposition brefs, cette modification rapide du polymère a été une surprise." 

Les modifications laser permettent le stockage d'informations effaçables

La revue de chimie dans laquelle l'étude a été publiée présentait également une version gravée au laser de la célèbre gravure de Mona Lisa ainsi que l'impression d'un micro-braille, qui était même plus petit que la tête ronde d'une épingle.

Financée par le Conseil australien de la recherche, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA et Microscopy Australia, l'étude met en évidence une découverte qui pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de matériaux plus durables. Plus précisément, l’étude a utilisé un polymère fabriqué à partir d’un sous-produit industriel peu coûteux, le soufre élémentaire. De plus, cette méthode peut atténuer le besoin d’équipements spécialisés coûteux. Il est toutefois important de noter que les lasers de haute puissance comportent un risque de rayonnement dangereux.

La découverte a été faite lors d'une analyse de routine d'un polymère inventé il y a deux ans au Chalker Lab par le doctorant Samuel Tonkin et le professeur de chimie Justin Chalke de l'Institut universitaire de Flinders pour la science et l'ingénierie à l'échelle nanométrique.

Le nouveau polymère a été trouvé à modifier juste au moment où la lumière laser touche sa surface. Ce, a déclaré le co-auteur de l'étude et chercheur à l'Université Flinders, le Dr Christopher Gibson, était une « réponse inhabituelle » qui n'a pas été observé avant sur tout autre polymère courant. Il a dit:

« Nous avons immédiatement réalisé que ce phénomène pourrait être utile dans un certain nombre d’applications, c’est pourquoi nous avons construit un projet de recherche autour de cette découverte. » 

Qualifiant cela de développement passionnant, Abigail Mann, doctorante au Flinders College of Science and Engineering, a déclaré qu'en utilisant de nouvelles techniques pour fabriquer des structures micrométriques et à des échelles plus petites pour les matériaux à base de soufre, ils « espèrent inspirer un large éventail de projets réels ». applications mondiales dans notre laboratoire et au-delà.

Cette découverte offre une nouvelle façon de générer des motifs précis sur la surface du polymère. Une telle capacité a des applications potentielles dans les dispositifs biomédicaux dotés de surfaces à motifs, de nouvelles méthodes d'utilisation de polymères dans le stockage de données et des approches alternatives de fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique pour la microfluidique, les capteurs et l'électronique.

Dans une démonstration pratique de son potentiel de stockage d'informations effaçables, l'étude a montré la capacité d'encoder un message en braille. Ce a été atteint en utilisant un laser pour créer des points en relief sur le matériau, en tirant parti des liaisons S−S dynamiques et des propriétés proches du vitrimer, une catégorie de plastiques qui facilitait à la fois l'écriture et l'effacement du message. 

Pour créer l’orthographe de « message secret » en braille, les chercheurs ont utilisé un laser avec un réglage de puissance laser inférieur (638 nm, 2.4 mW). Les points en relief, d'une hauteur de 3.6 µm ± 0.2 µm, ont été formés en exposant la surface du polymère au laser pendant seulement 1.3 seconde.

Ensuite, l’équipe a utilisé un réglage de puissance plus élevé (638 nm, 5.4 mW) pour créer des creux dans les coins par ablation et enlèvement de matière. Là encore, l'exposition au laser durait également 1.3 seconde. 

L'étude a révélé que le traitement thermique effaçait les points soulevés lors de l'incubation dans un four à 160 °C pendant 5 heures. Les piqûres formées par ablation, quant à elles, sont restées intactes en raison de la perte permanente de soufre par le polymère. 

Le processus de codage des informations amovibles, selon l’étude, « constitue une nouvelle direction dans les matériaux photosensibles, avec des avantages dans la simplicité de la synthèse des matériaux et l’utilisation de lasers de faible puissance ».

L’étude a en outre démontré la génération d’une image complexe à micro-échelle par lithographie laser directe. À l’aide d’un laser de 532 nm fonctionnant à 7 % de puissance (1.3 mW), l’équipe de recherche de Flinders a généré les lignes les plus fines de la « Micro Lisa ». La microimage mesurait environ neuf µm de large et deux µm de profondeur. Les microns ou micromètres, représentés par µm, équivalent à un millionième de mètre. 

À l’aide d’un laser de puissance plus élevée (3.0 mW), l’équipe a ensuite généré les lignes plus larges et plus profondes du cadre carré de 23 μm de large et de cinq μm de profondeur. Selon l'équipe, cette lithographie laser directe se distingue par le faible coût des substrats polymères et la simplicité du système laser.

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Conclusion

Comme nous l’avons vu dans cette étude, en utilisant une lumière laser visible et infrarouge de faible puissance, les chercheurs ont pu modifier des copolymères. Les modifications ont été rapides, les temps d’exposition étant extrêmement courts – de quelques millisecondes, millièmes de seconde, à une seconde. Ce délai peut être d'un avantage significatif dans diverses industries, en particulier celles qui nécessitent que l'ensemble des processus de prototypage et de fabrication soient terminés. être terminé vite.

En contrôlant la longueur d'onde, le diamètre et la puissance du faisceau, les chercheurs ont pu créer des points, des trous, des creux, des canaux et des pointes en relief sur la surface du polymère. Cette polyvalence permet de créer même des modèles complexes, qui peuvent améliorer les fonctionnalités et répondre à des applications spécifiques. 

Mais ce n'est pas tout. En chauffant simplement l’échantillon, les chercheurs ont pu effacer les modifications de gonflement du polymère. Ces capacités sont importantes, comme l’a démontré l’équipe avec la lithographie laser directe d’images complexes et le codage d’informations effaçables.

Cette étude a non seulement fourni une méthode simple ainsi que des matériaux et des systèmes laser à faible coût qui peuvent contribuer à fournir des solutions plus accessibles et plus rentables, mais peuvent également être particulièrement utiles dans le cryptage, le stockage de données et dans de nombreux autres domaines où des modifications temporaires sont nécessaires. nécessaire.

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