Science des matériaux
Stockage de données par gravure laser
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Développés pour la première fois en 1960, les lasers ont gagné en popularité au cours des dernières années. Le marché mondial des technologies laser devrait atteindre $35.4 bln d’ici 2032. Cette croissance est stimulée par la demande croissante de lasers dans différents secteurs, notamment les communications, la défense, la science, la sécurité, le stockage de données et bien d’autres.
Les lasers, qui sont des dispositifs émettant de la lumière par amplification optique, sont largement utilisés pour la gravure. La gravure laser est un procédé 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 essentielles pour suivre l’origine d’un produit tout au long de son cycle de vie, garantissant sa sécurité et sa durabilité. De plus, ce procédé est utilisé pour créer des œuvres d’art pour les produits.
La gravure laser fait partie d’une catégorie plus large de marquage laser, qui comprend également le recuit laser — un procédé qui chauffe le matériau — et la gravure laser, qui implique la vaporisation du matériau. Très polyvalent, le laser peut graver la plupart des métaux.
Alors, comment cela fonctionne-t-il ?
Pour créer un marquage, le faisceau laser délivre une grande quantité d’énergie sur une zone concentrée, faisant fondre la surface du matériau. Lorsque la surface se dilate puis refroidit, elle forme le marquage souhaité. Contrairement à d’autres procédés qui ne modifient que la couleur ou la texture de la surface, la gravure laser altère réellement la surface, créant une zone en relief ou en creux avec une texture plus rugueuse.
Ainsi, en modifiant la surface d’un matériau à l’aide d’un laser, différents motifs et designs permanents sont créés.
Différents types de lasers utilisés pour la gravure comprennent les lasers à fibre, CO2, cristaux, diodes, et les lasers à état solide pompés par diode.
Cette méthode de création de marquages 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 ni de contraintes mécaniques et qui produit des marquages de qualité supérieure. La gravure laser peut également résister à des traitements non abrasifs comme le revêtement en poudre.
De plus, la gravure laser peut être utilisée 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. Elle 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 qui peuvent être gravés. En gros, presque tout type de matériau peut être gravé au laser.
Cependant, la gravure laser n’est pas exempte de problèmes, tels que les coûts initiaux élevés des machines. De plus, les marquages peuvent s’user dans des environnements abrasifs, comme ceux exposés au sablage.
Malgré ces défis, les avantages de la gravure laser l’emportent largement sur ses inconvénients, ce qui la rend recommandée pour la plupart des applications de marquage. La gravure laser est largement utilisée dans de nombreuses industries pour sa polyvalence, son efficacité et sa précision, notamment l’automobile, l’électronique, l’emballage, 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 d’une décennie, Hitachi évoquait la préserver les informations pendant des centaines de millions d’années en les codant au laser dans des plaques de verre de quartz. Cependant, la technique n’abordait pas le problème de la gestion de la quantité massive de données.
Il y a quelques années, Peter Kazansky, professeur au Centre de recherche en optoélectronique de l’Université de Southampton, a stocké 500 téraoctets de données sur un petit disque en verre via la gravure laser.
Modification des surfaces polysulfureuses avec des lasers à faible puissance
Compte tenu des vastes avantages de la gravure laser, les chercheurs et scientifiques cherchent constamment à améliorer la technologie et à trouver de nouvelles applications. Récemment, des chercheurs de l’Université Flinders ont découvert qu’un polymère dérivé du soufre, peu coûteux et sensible à la lumière est réceptif aux lasers à faible puissance et à lumière visible.
Typiquement, pour modifier les surfaces des polymères, qui sont constitués de très grosses molécules, nous avons besoin de lasers qui émettent une très haute puissance. En utilisant des lasers à haute puissance, on peut produire des composants d’électronique de haute technologie, de produits biomédicaux et de stockage de données. Cependant, avec la dernière découverte, nous pouvons envisager des méthodes de production plus abordables et plus sûres.
Selon la chercheuse associée et co‑auteure Dr Lynn Lisboa:
“L’impact de cette découverte dépasse largement le laboratoire, avec des utilisations potentielles dans les dispositifs biomédicaux, l’électronique, le stockage d’informations, la microfluidique et de nombreuses autres applications de matériaux fonctionnels.”
Publiée dans Angewandte Chemie International Edition, l’étude souligne l’importance de modifier les surfaces des polymères avec la lumière laser pour soutenir les avancées dans divers domaines, tout en indiquant que de telles altérations nécessitent généralement des lasers coûteux et à haute puissance, qui requièrent en outre des outils et des installations spéciales afin de réduire le risque d’exposition à un niveau dangereux de radiation. Ensuite, il existe des systèmes polymères eux‑mêmes qui tendent à être complexes et coûteux à développer afin que les lasers puissent les modifier facilement.
Ainsi, des polymères facilement accessibles et réactifs lorsqu’ils sont exposés à de faibles niveaux de rayonnement sont nécessaires, car cela impliquerait des systèmes laser plus simples, plus sûrs et plus économiques.
La découverte de copolymères de soufre peu coûteux et rapidement modifiables à l’aide de lasers délivrant une lumière visible et infrarouge à faible puissance répond à ces besoins. Pour créer les copolymères de soufre, les chercheurs ont utilisé le soufre élémentaire (S) ainsi que du cyclopentadiène ou du dicyclopentadiène.
Ensuite, en utilisant une série de lasers à ondes de faible puissance avec des longueurs d’onde de 532, 638 et 786 nm, l’équipe a pu modifier les surfaces des polymères. Ces modifications comprennent la gravure par ablation ou le gonflement contrôlé.
L’étude a ensuite exploité la modification des systèmes polymères par laser et une synthèse facile dans deux applications — le stockage d’informations effaçable et la lithographie laser directe. La haute teneur en soufre de ces polymères confère une variété de propriétés chimiques, physiques et optiques, permettant des applications diverses dans le stockage d’énergie, l’optique d’imagerie thermique et la liaison métallique.
Ensuite, il y a les liaisons S−S qui peuvent être rompues et reformées, permettant la restauration et l’utilisation. La réactivité des liaisons S−S dans les copolymères de soufre a conduit aux découvertes de l’étude. En particulier, les chercheurs ont noté que la surface du copolymère était visiblement altérée après une exposition de moins d’une seconde à un laser diode de 690 nm, 1,10 mW. L’étude a déclaré:
“Étant donné la faible puissance du laser et les temps d’exposition très courts, cette modification rapide du polymère a été une surprise.”
Les modifications laser permettent le stockage d’informations effaçable
Le journal de chimie où l’étude a été publiée présentait également une version gravée au laser de la célèbre gravure de la Joconde ainsi que l’impression d’un micro-braille, plus petit même que la tête ronde d’une épingle.
Financée par le Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF‑SA et Microscopy Australia, l’étude met en avant 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 du sous‑produit industriel à faible coût qu’est le soufre élémentaire. De plus, cette méthode peut réduire le besoin d’équipements coûteux et spécialisés. Il est toutefois important de noter que les lasers à haute puissance comportent le risque d’une radiation dangereuse.
La découverte a été faite lors d’une analyse de routine d’un polymère inventé il y a deux ans au laboratoire Chalker par le doctorant Samuel Tonkin et le professeur de chimie Justin Chalke de l’Institut pour la science et l’ingénierie à l’échelle nanométrique de l’Université Flinders.
Le nouveau polymère a été trouvé modifié dès que la lumière du laser a touché sa surface. Cela, a déclaré le co‑auteur de l’étude et chercheur à l’Université Flinders, le Dr Christopher Gibson, était une « réaction inhabituelle » qui n’avait jamais été observée auparavant sur d’autres polymères courants.
“Nous avons immédiatement réalisé que ce phénomène pourrait être utile dans de nombreuses applications, nous avons donc construit un projet de recherche autour de cette découverte.”
Qualifiant cela de développement passionnant, Abigail Mann, doctorante à la Flinders College of Science and Engineering, a déclaré qu’en utilisant des techniques novatrices pour fabriquer des structures à l’échelle micrométrique et inférieure pour les matériaux à base de soufre, ils « espèrent inspirer un large éventail d’applications réelles dans notre laboratoire et au-delà. »
Cette découverte offre une nouvelle façon de générer des motifs précis sur la surface du polymère. Cette capacité a des applications potentielles dans les dispositifs biomédicaux à surface structurée, les nouvelles méthodes d’utilisation des polymères pour le stockage de données, et les approches alternatives de fabrication de dispositifs nanoscale pour la microfluidique, les capteurs et l’électronique.
Dans une démonstration pratique de son potentiel pour le stockage d’informations effaçable, l’étude a présenté la capacité d’encoder un message en braille. Cela a été réalisé en utilisant un laser pour créer des points en relief sur le matériau, tirant parti des liaisons dynamiques S−S et de propriétés similaires à celles du vitrimer — une catégorie de plastiques qui facilite à la fois l’écriture et l’effacement du message.
Pour créer l’orthographe du « message secret » en braille, les chercheurs ont utilisé un laser avec un réglage de puissance plus faible (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 cavités dans les coins par ablation et enlèvement de matière. Là encore, l’exposition laser était de 1,3 seconde.
L’étude a constaté que le traitement thermique effaçait les points en relief lorsqu’ils étaient incubés dans un four à 160 °C pendant 5 heures. Les cavités formées par ablation, quant à elles, sont restées intactes en raison de la perte permanente de soufre du polymère.
Le processus d’encodage d’information amovible, selon l’étude, « constitue une nouvelle direction dans les matériaux photo‑réactifs, avec des avantages dans la simplicité de la synthèse du matériau et l’utilisation de lasers à faible puissance. »
L’étude a également démontré la génération d’une image microscopique complexe à l’aide de la lithographie laser directe. En utilisant un laser de 532 nm fonctionnant à 7 % de puissance (1,3 mW), l’équipe de recherche de Flinders a généré les lignes plus fines du « Micro Lisa ». La micro‑image mesurait environ neuf µm de large et deux µm de profondeur. Les microns ou micromètres, représentés par µm, sont équivalents à un millionième de mètre.
En utilisant un laser à 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 cinq µm de profondeur. Cette lithographie laser directe, selon l’équipe, 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 à faible puissance, les chercheurs ont pu modifier les copolymères. Les modifications ont été rapides, avec des temps d’exposition extrêmement courts — de quelques millisecondes, soit un millième de seconde, jusqu’à une seconde. Cette échelle de temps peut représenter un avantage considérable dans diverses industries, notamment celles qui nécessitent que l’ensemble des processus de prototypage et de fabrication soient réalisés rapidement.
En contrôlant la longueur d’onde, le diamètre et la puissance du faisceau, les chercheurs ont pu créer des points en relief, des trous, des cavités, des canaux et des pointes sur la surface du polymère. Cette polyvalence signifie que même des motifs complexes peuvent être créés, ce qui peut améliorer les fonctionnalités et répondre à des applications spécifiques.
Mais ce n’est pas tout. En chauffant simplement l’échantillon, les chercheurs ont pu également 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 l’encodage d’informations effaçables.
Cette étude n’a pas seulement fourni une méthode simple ainsi que des matériaux et systèmes laser à faible coût qui peuvent aider à offrir des solutions plus accessibles et économiques, mais elle peut également être spécifiquement utile dans le chiffrement, le stockage de données et de nombreux autres domaines où des modifications temporaires sont nécessaires.
