材料科学
レーザーエッチングによるデータ保存
Securities.io を Google の優先ソースに追加
1960年に初めて開発されたレーザーは、ここ数年で人気が高まっています。世界のレーザー技術市場は予測されていますが成長し$35.4 blnまでに2032年に。この成長は促進されていますさまざまな分野でのレーザー需要の高まり、通信、防衛、科学、セキュリティ、データストレージなどにより。
光増幅により光を放射する装置であるレーザーは、エッチングに広く使用されています。レーザーエッチングは、製品表面にQRコード、バーコード、ロゴ、シリアル番号などのマーキングを作成するプロセスです。これらのマーキングは、製品の全ライフサイクルを通じてその出所を追跡するための重要な情報を含み、安全性と耐久性を確保します。さらに、このプロセスは製品のアートワーク作成にも使用されます。
レーザーエッチングは、レーザーアニール（材料を加熱するプロセス）やレーザーエングレービング（材料を蒸発させるプロセス）を含む、より大きなレーザーマーキングのカテゴリに属します。非常に汎用性が高く、レーザーはほとんどの金属をエッチングできます。
では、どのように機能するのでしょうか？
マーキングを作成するために、レーザービームは高エネルギーを集中領域に照射し、材料表面を溶かします。表面が膨張して冷却されると、目的のマーキングが形成されます。他のプロセスが表面の色や質感を変えるだけであるのに対し、レーザーエッチングは実際に表面を変形させ、凹凸があり、テクスチャが粗い凹部または隆起部を作ります。
このように、レーザーの助けで材料の表面を変えることで、さまざまな永続的なデザインやパターンが作られます。
エッチングに使用されるレーザーの種類には、ファイバー、CO2、結晶、ダイオードレーザー、ダイオード励起固体レーザーがあります。
この材料へのマーキング方法は、速度や広範なカスタマイズ性といった利点を提供します。また、化学反応を起こさず、機械的応力も生じない非接触方式であり、優れた品質のマーキングを生成します。レーザーエッチングは、粉体コーティングなどの非研磨処理にも耐えることができます。
さらに、レーザーエッチングは木材、革、プラスチック、ガラス、セラミック、天然石、半導体など、幅広い材料に使用できます。また、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、鉛、マグネシウム、鋼、亜鉛、銅、真鍮、チタンなど、ほぼすべての金属にも効果的です。基本的に、ほぼすべての材料がレーザーエッチング可能です。
しかし、レーザーエッチングには機械の初期導入コストが高いといった課題があります。また、研磨環境（例えばサンドブラスト）ではマーキングが摩耗することがあります。
これらの課題にもかかわらず、レーザーエッチングの利点は欠点をはるかに上回り、ほとんどのマーキング用途に推奨されます。レーザーエッチングは、自動車、エレクトロニクス、包装、防衛金属加工、ジュエリー、アート、医療機器など、多くの産業でその汎用性、効率、精度のために広く使用されています。
レーザーエッチングのもう一つの興味深い応用はデータストレージです。10年以上前、日立は石英ガラス板にレーザーで情報をエンコードし、数億年にわたって情報を保存できると語っていました。しかし、この技術は膨大なデータ管理の問題に対処していませんでした。
数年前、サウサンプトン大学光エレクトロニクス研究センターの教授であるピーター・カザンスキーは、レーザーエッチングにより小さなガラスディスクに500テラバイトのデータを保存したと発表しました。
低出力レーザーによるポリサルファイド表面の改質
レーザーエッチングの膨大な利点を踏まえ、研究者や科学者は常に技術の向上と新たな応用を模索しています。最近、フリンダーズ大学の研究者らは、安価で光応答性の硫黄由来ポリマーが低出力の可視光レーザーに反応することを発見しました。
通常、ポリマーの表面を変えるには非常に大きな分子からなるため、高出力レーザーが必要です。高出力レーザーを使用すれば、ハイテク電子機器、医療製品、データストレージ部品を製造できます。しかし、今回の発見により、より手頃で安全な製造方法が見えてきました。
研究アソシエイトで共同著者の Dr Lynn Lisboa:
「この発見の影響は実験室をはるかに超え、医療機器、エレクトロニクス、情報保存、マイクロ流体、その他多くの機能性材料応用に利用できる可能性があります。」
Angewandte Chemie International Edition に掲載されたこの研究は、レーザー光でポリマー表面を改質する重要性を指摘し、さまざまな分野の進歩を支えると同時に、通常は高価で高出力のレーザーが必要であり、危険な放射線レベルへの曝露リスクを低減するために特別な装置と施設が必要であることを指摘しています。また、レーザーが容易に改質できるようにするためには、ポリマー系自体が複雑で高価であることも課題です。
したがって、低レベルの放射線に曝露されても反応しやすく、入手しやすいポリマーが必要です。これにより、よりシンプルで安全、かつ経済的なレーザーシステムが実現します。
低出力の可視光および不可視赤外光を放つレーザーを用いた、安価で迅速に変化可能な硫黄共重合体の発見は、これらのニーズに応えます。硫黄共重合体を作るために、研究者は元素硫黄（S）とシクロペンタジエンまたはジシクロペンタジエンを使用しました。
次に、波長が532、638、786 nmの低出力波レーザー群を用いて、チームはポリマー表面を改質できました。これらの改質は、アブレーションによるエッチングや制御された膨潤を含みます。
この研究は、レーザーと簡易合成を用いたポリマー系の改質を、消去可能な情報保存と直接レーザーリソグラフィーという二つの応用に活用しました。これらのポリマーは硫黄含有量が高く、化学的、物理的、光学的特性が多様で、エネルギー保存、熱画像光学、金属結合などの幅広い応用を可能にします。
さらに、S−S 結合は切断と再結合が可能で、復元と再利用を可能にします。S−S 結合の可変性が硫黄共重合体の発見につながりました。特に、研究者は 690 nm、1.10 mW のダイオードレーザーで 1 秒未満の曝露で共重合体表面が目に見えて変化したことを指摘しました。研究は次のように述べています：
「レーザーの低出力と短時間の曝露にもかかわらず、この迅速なポリマー改質は驚きでした。」
レーザー改質が消去可能な情報保存を可能にする
この研究が掲載された化学ジャーナルは、有名なモナ・リザのレーザーエッチング版と、ピンの先端よりも小さいマイクロ点字の印刷も特集しました。
オーストラリア研究評議会、フリンダーズ顕微鏡・微細分析、ANFF-SA、Microscopy Australia の資金提供を受けた本研究は、より持続可能な材料の利用への道を開く可能性のある発見を強調しています。具体的には、低コストの産業副産物である元素硫黄から作られたポリマーを使用しました。さらに、この方法は高価で専門的な装置の必要性を軽減できます。ただし、高出力レーザーは有害な放射線リスクを伴うことに注意が必要です。
この発見は、フリンダーズ大学ナノスケール科学工学研究所のチョーカーラボで、2 年前にサミュエル・トンキン博士課程学生と化学教授ジャスティン・チャルクが開発したポリマーの定例分析中に行われました。
新しいポリマーは、レーザー光が表面に触れた瞬間に改質されることが判明しました。これは、フリンダーズ大学研究者で共同著者の Dr Christopher Gibson が「他の一般的なポリマーでは観測されていない『異常な反応』」であると述べました。彼は次のように語っています：
「我々はすぐにこの現象がさまざまな応用に有用である可能性に気付き、発見を中心に研究プロジェクトを立ち上げました。」
このエキサイティングな開発と呼ばれるものについて、フリンダーズ大学科学工学部の博士課程学生アビゲイル・マンは、硫黄系材料のミクロン以下の構造を新技術で製造することで、「我々のラボとそれ以降で幅広い実世界の応用を促進したい」と語っています。
この発見は、ポリマー表面に精密なパターンを生成する新しい方法を提供します。この能力は、パターン化された表面を持つ医療機器、データ保存用の新しいポリマー利用法、マイクロ流体、センサー、エレクトロニクス向けのナノスケールデバイス製造への代替アプローチに応用可能です。
消去可能な情報保存の可能性を実証する実演として、研究は点字でメッセージをエンコードする能力を示しました。これは、レーザーで材料上に隆起した点を作り、動的な S−S 結合とビトリメルに類似した特性（書き込みと消去の両方を可能にするプラスチックのカテゴリ）を利用したものです。
「secret message」の点字表記を作成するため、研究者は低出力設定（638 nm、2.4 mW）のレーザーを使用しました。隆起した点は高さ 3.6 μm±0.2 μm で、ポリマー表面をレーザーに 1.3 秒照射するだけで形成されました。
その後、チームは高出力設定（638 nm、5.4 mW）を使用して、アブレーションと材料除去により角に穴を作りました。こちらもレーザー曝露は 1.3 秒でした。
研究は、160°C のオーブンで 5 時間インキュベートすると熱処理で隆起した点が消えることを発見しました。一方、アブレーションで形成された穴は、ポリマーが硫黄を永久に失うため、残存しました。
研究によると、除去可能な情報エンコードのプロセスは「低出力レーザーの使用と材料合成の簡便さに利点がある、光応答性材料の新たな方向性を示す」と述べられています。
研究はさらに、直接レーザーリソグラフィーを用いた複雑なマイクロスケール画像の生成を実証しました。532 nm のレーザーを 7% 出力（1.3 mW）で使用し、フリンダーズ研究チームは「マイクロ・リサ」の細いラインを生成しました。このマイクロ画像は幅約 9 μm、深さ約 2 μm です。µm はメートルの百万分の一に相当します。
3.0 mW の高出力レーザーを使用し、チームは幅 23 μm、深さ 5 μm の正方形フレームの太く深いラインを生成しました。この直接レーザーリソグラフィーは、ポリマー基板の低コストとレーザーシステムの簡便さが特徴です。
クリックして、レーザーが現代のコンピュータをどのように変革する可能性があるかをご覧ください。
結論
本研究で示されたように、低出力の可視光および赤外線レーザー光を使用して、研究者は共重合体を改質できました。改質は非常に迅速で、曝露時間はミリ秒から1秒までと極めて短いです。この時間スケールは、特にプロトタイピングと製造プロセス全体を迅速に行う必要がある産業に大きな利点をもたらします。
波長、ビーム径、出力を制御することで、研究者はポリマー表面に隆起した点、穴、くぼみ、チャネル、スパイクを作成できました。この汎用性により、複雑なパターンも作成可能で、機能性の向上や特定の用途に対応できます。
しかし、それだけではありません。サンプルを加熱するだけで、研究者はポリマーの膨潤改質をさらに消去できました。これらの能力は、チームが実証した複雑な画像の直接レーザーリソグラフィーと消去可能な情報エンコードにおいて重要です。
この研究は、シンプルな手法と低コストの材料・レーザーシステムを提供するだけでなく、暗号化、データ保存、その他一時的な改変が必要な多くの分野でも特に有用です。
