Scienza dei materiali
Memorizzazione dei Dati tramite Incisione Laser
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Sviluppati per la prima volta nel 1960, i laser hanno guadagnato popolarità negli ultimi anni. Il mercato globale della tecnologia laser è previsto crescere fino a $35.4 bln entro il 2032. Questa crescita è guidata dalla crescente domanda di laser in diversi settori, tra cui comunicazione, difesa, scienza, sicurezza, archiviazione dei dati e altro.
I laser, dispositivi che emettono luce mediante amplificazione ottica, sono ampiamente usati per l’incisione. L’incisione laser è un processo per creare marcature sulla superficie di un prodotto, come codici QR, codici a barre, loghi e numeri di serie. Queste marcature contengono informazioni vitali per tracciare l’origine di un prodotto specifico lungo l’intero ciclo di vita, garantendone la sicurezza e la durata. Inoltre, questo processo è usato per creare opere d’arte per i prodotti.
L’incisione laser rientra in una categoria più ampia di marcatura laser, che comprende anche l’annealing laser — un processo che riscalda il materiale — e la gravatura laser, che comporta la vaporizzazione del materiale. Essendo altamente versatile, il laser può incidere la maggior parte dei metalli.
Allora, come funziona?
Per creare una marcatura, il fascio laser emette una grande quantità di energia su un’area concentrata, fondendo la superficie del materiale. Man mano che la superficie si espande e si raffredda, si forma la marcatura desiderata. A differenza di altri processi che modificano solo il colore o la texture della superficie, l’incisione laser altera realmente la superficie, creando un’area rialzata o incassata con una texture più ruvida.
Così, alterando la superficie di un materiale con l’aiuto di un laser, si creano diversi disegni e motivi permanenti.
Diversi tipi di laser usati per l’incisione includono laser a fibra, CO2, a cristallo, a diodi e laser a stato solido pompati a diodo.
Questo metodo di creare marcature su un materiale offre vantaggi come velocità e ampia personalizzazione. È anche un metodo senza contatto che non provoca reazioni chimiche né crea sollecitazioni meccaniche e produce marcature di qualità superiore. L’incisione laser può anche resistere a trattamenti non abrasivi come la verniciatura a polvere.
Inoltre, l’incisione laser può essere usata su un’ampia varietà di materiali come legno, pelle, plastica, vetro, ceramica, pietra naturale e semiconduttori. È anche efficace su quasi tutti i metalli, tra cui alluminio, alluminio anodizzato, piombo, magnesio, acciaio, zinco, rame, ottone e titanio possono essere incisi. In pratica, quasi qualsiasi tipo di materiale può essere inciso al laser.
Tuttavia, l’incisione laser non è priva di problemi, come i costi iniziali elevati per le macchine. Inoltre, le marcature possono usurarsi in ambienti abrasivi, come quelli soggetti a sabbiatura.
Nonostante queste sfide, i vantaggi dell’incisione laser superano di gran lunga i suoi svantaggi, rendendola consigliata per la maggior parte delle applicazioni di marcatura. L’incisione laser è ampiamente usata in molti settori per la sua versatilità, efficienza e precisione, inclusi automotive, elettronica, imballaggi e fabbricazione di metalli per difesa, gioielleria, arte e dispositivi medici.
Un’altra interessante applicazione dell’incisione laser è l’archiviazione dei dati. Più di un decennio fa, Hitachi ha parlato di preservare le informazioni per centinaia di milioni di anni codificando al laser lastre di vetro di quarzo. Tuttavia, la tecnica non affrontava il problema della gestione dell’enorme quantità di dati.
Qualche anno fa, Peter Kazansky, professore presso l’Optoelectronics Research Centre dell’Università di Southampton, ha memorizzato 500 terabyte di dati su un piccolo disco di vetro tramite incisione laser.
Modifica delle Superfici di Poliisolfuro con Laser a Bassa Potenza
Considerati i vasti benefici dell’incisione laser, ricercatori e scienziati cercano costantemente modi per migliorare la tecnologia e trovare nuove applicazioni. Recentemente, ricercatori dell’Università di Flinders hanno scoperto che un polimero derivato dal zolfo, economico e sensibile alla luce è ricettivo ai laser a bassa potenza e luce visibile.
Tipicamente, per alterare le superfici dei polimeri, che consistono di molecole molto grandi, sono necessari laser che emettono potenza molto alta. Utilizzando laser ad alta potenza, è possibile produrre componenti per elettronica ad alta tecnologia, prodotti biomedicali e archiviazione dati. Tuttavia, con la recente scoperta, possiamo vedere metodi di produzione più accessibili e sicuri.
Secondo la ricercatrice associata e coautrice Dr Lynn Lisboa:
“L’impatto di questa scoperta va ben oltre il laboratorio, con potenziali utilizzi in dispositivi biomedicali, elettronica, archiviazione di informazioni, microfluidica e molte altre applicazioni di materiali funzionali.”
Pubblicato su Angewandte Chemie International Edition, lo studio sottolinea l’importanza di modificare le superfici dei polimeri con luce laser per sostenere progressi in vari campi, evidenziando che tali alterazioni solitamente richiedono laser costosi e ad alta potenza, i quali necessitano ulteriormente di strumenti e strutture speciali per ridurre il rischio di esposizione a livelli pericolosi di radiazione. Inoltre, i sistemi polimerici stessi tendono a essere complessi e costosi da sviluppare affinché i laser possano modificarli con facilità.
Pertanto, sono necessari polimeri facilmente accessibili e che reagiscono quando esposti a bassi livelli di radiazione, poiché ciò significherebbe sistemi laser più semplici, sicuri ed economici.
La scoperta di copolimeri di zolfo economici e rapidamente modificabili usando laser che emettono luce visibile a bassa potenza e infrarossi invisibili risponde a queste esigenze. Per creare i copolimeri di zolfo, i ricercatori hanno utilizzato lo zolfo elementare (S) e ciclopentadiene o diciclopentadiene.
Successivamente, utilizzando una serie di laser a bassa potenza con lunghezze d’onda di 532, 638 e 786 nm, il team è stato in grado di modificare le superfici dei polimeri. Queste modifiche includono incisione tramite ablazione o gonfiore controllato.
Lo studio ha poi impiegato la modifica dei sistemi polimerici tramite laser e sintesi facile in due applicazioni — archiviazione di informazioni cancellabili e litografia laser diretta. L’alto contenuto di zolfo di questi polimeri trasmette una varietà di proprietà chimiche, fisiche e ottiche, consentendo diverse applicazioni in stoccaggio energetico, ottica di imaging termico e legatura di metalli.
Poi ci sono i legami S−S che possono essere rotti e riformati, consentendo il ripristino e l’uso. La vulnerabilità dei legami S−S nei copolimeri di zolfo è ciò che ha portato alle scoperte dello studio. In particolare, i ricercatori hanno notato che la superficie del copolimero è stata visibilmente alterata subito dopo un’esposizione di meno di 1 secondo a un laser a diodo da 690 nm, 1,10 mW. Lo studio ha dichiarato:
“Considerata la bassa potenza del laser e i tempi di esposizione brevi, questa rapida modifica del polimero è stata una sorpresa.”
Le Modifiche Laser Consentono l’Archiviazione di Informazioni Cancellabili
Il giornale di chimica in cui è stato pubblicato lo studio ha anche presentato una versione incisa al laser della famosa incisione della Monna Lisa insieme alla stampa di un micro-braille, più piccolo persino della testa rotonda di un ago.
Finanziato dal Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA e Microscopy Australia, lo studio evidenzia una scoperta che potrebbe aprire la strada all’uso di materiali più sostenibili. In particolare, lo studio ha utilizzato un polimero prodotto dal sottoprodotto industriale a basso costo, lo zolfo elementare. Inoltre, questo metodo può ridurre la necessità di attrezzature costose e specializzate. È importante notare, tuttavia, che i laser ad alta potenza comportano il rischio di radiazioni pericolose.
La scoperta è stata fatta durante un’analisi di routine di un polimero inventato due anni fa al Chalker Lab dal dottorando Samuel Tonkin e dal professore di chimica Justin Chalke dell’Institute for NanoScale Science and Engineering dell’Università di Flinders.
Il nuovo polimero è stato trovato a essere modificato non appena la luce laser ha toccato la sua superficie. Questo, il coautore dello studio e ricercatore dell’Università di Flinders Dr Christopher Gibson ha detto, è stata una “risposta insolita” che non è stata osservata prima su altri polimeri comuni. Ha detto:
“Ci siamo subito resi conto che questo fenomeno potrebbe essere utile in numerose applicazioni, così abbiamo avviato un progetto di ricerca attorno alla scoperta.”
Definendo questo uno sviluppo entusiasmante, Abigail Mann, dottoranda del Flinders College of Science and Engineering, ha affermato che, utilizzando tecniche innovative per fabbricare strutture su scala micrometrica e inferiore per materiali a base di zolfo, sperano di ispirare una vasta gamma di applicazioni reali nel nostro laboratorio e oltre.
Questa scoperta offre un nuovo modo di generare pattern precisi sulla superficie del polimero. Tale capacità ha potenziali applicazioni in dispositivi biomedicali con superfici strutturate, nuovi metodi per l’uso dei polimeri nell’archiviazione dei dati e approcci alternativi alla fabbricazione di dispositivi su scala nanometrica per microfluidica, sensori ed elettronica.
In una dimostrazione pratica del suo potenziale per l’archiviazione cancellabile di informazioni, lo studio ha mostrato la capacità di codificare un messaggio in Braille. Questo è stato ottenuto utilizzando un laser per creare punti rialzati sul materiale, sfruttando i legami dinamici S−S e proprietà simili al vitrimer — una categoria di plastica che ha facilitato sia la scrittura che la cancellazione del messaggio.
Per creare la scritta “messaggio segreto” in Braille, i ricercatori hanno usato un laser con una impostazione di potenza più bassa (638 nm, 2,4 mW). I punti rialzati, alti 3,6 μm±0,2 μm, sono stati formati esponendo la superficie del polimero al laser per appena 1,3 secondi.
Successivamente, il team ha utilizzato un’impostazione di potenza più alta (638 nm, 5,4 mW) per creare fossette negli angoli tramite ablazione e rimozione di materiale. Anche qui l’esposizione al laser è stata di 1,3 secondi.
Lo studio ha scoperto che il trattamento termico ha cancellato i punti rialzati quando incubati in un forno a 160 °C per 5 ore. Le fossette formate per ablazione, invece, sono rimaste intatte a causa della perdita permanente di zolfo del polimero.
Il processo di codifica di informazioni rimovibili, secondo lo studio, “costituisce una nuova direzione nei materiali foto‑responsivi, con vantaggi nella semplicità della sintesi del materiale e nell’uso di laser a bassa potenza.”
Lo studio ha inoltre dimostrato la generazione di un’immagine complessa su scala microscopica usando la litografia laser diretta. Utilizzando un laser da 532 nm operante al 7 % di potenza (1,3 mW), il team di ricerca di Flinders ha generato le linee più sottili del “Micro Lisa”. L’immagine micro era larga circa nove μm e profonda due μm. Micron o micrometro, rappresentati come µm, equivalgono a un milionesimo di metro.
Utilizzando un laser a potenza più alta (3,0 mW), il team ha poi generato le linee più larghe e profonde del telaio quadrato largo 23 μm e profondo cinque μm. Questa litografia laser diretta, secondo il team, è distintiva per il basso costo dei substrati polimerici e la semplicità del sistema laser.
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Conclusione
Come abbiamo visto in questo studio, usando luce laser visibile e infrarossa a bassa potenza, i ricercatori sono stati in grado di modificare i copolimeri. Le modifiche sono state rapide, con tempi di esposizione estremamente brevi — da millisecondi, un millesimo di secondo, a un secondo. Questa scala temporale può rappresentare un vantaggio significativo in vari settori, soprattutto in quelli che richiedono che l’intero processo di prototipazione e produzione sia sia svolto velocemente.
Controllando la lunghezza d’onda, il diametro e la potenza del fascio, i ricercatori sono stati in grado di creare punti rialzati, fori, fossette, canali e sporgenze sulla superficie del polimero. Questa versatilità significa che anche pattern complessi possono essere creati, migliorando le funzionalità e soddisfacendo applicazioni specifiche.
Ma non è tutto. Semplicemente riscaldando il campione, i ricercatori sono stati in grado di cancellare ulteriormente le modifiche di gonfiore del polimero. Queste capacità sono significative, come dimostrato dal team con la litografia laser diretta di immagini complesse e la codifica di informazioni cancellabili.
Questo studio non solo ha fornito un metodo semplice, nonché materiali e sistemi laser a basso costo che possono offrire soluzioni più accessibili ed economiche, ma può anche essere particolarmente utile nella crittografia, nell’archiviazione dei dati e in molti altri campi dove sono necessarie modifiche temporanee.
