Gegevens opslaan via laseretsen

Lasers werden voor het eerst ontwikkeld in 1960 en zijn de afgelopen jaren steeds populairder geworden. De wereldwijde markt voor lasertechnologie wordt geprojecteerd naar toe groeien $ 35.4 miljard tegen 2032. Deze groei wordt gereden door de stijgende vraag naar lasers in verschillende sectoren, waaronder communicatie, defensie, wetenschap, beveiliging, gegevensopslag en meer.

Lasers, apparaten die licht uitstralen via optische versterking, worden veel gebruikt voor het etsen. Laseretsen is een proces waarbij markeringen op het oppervlak van een product worden aangebracht, zoals QR-codes, streepjescodes, logo's en serienummers. Deze markeringen bevatten essentiële informatie om de herkomst van een bepaald product gedurende de gehele levenscyclus te kunnen traceren, waardoor de veiligheid en duurzaamheid ervan wordt gegarandeerd. Bovendien is dit proces is gebruikt om illustraties voor producten te maken.

Laseretsen valt onder een grotere categorie van lasermarkering, waartoe ook lasergloeien behoort (een proces waarbij het materiaal wordt verwarmd) en lasergraveren, waarbij het materiaal wordt verdampt. Omdat de laser zeer veelzijdig is, kan hij de meeste metalen etsen.

Dus, hoe werkt dit?

Om een ​​markering te creëren, zendt de laserstraal een hoge hoeveelheid energie uit naar een geconcentreerd gebied, waardoor het oppervlak van het materiaal smelt. Naarmate het oppervlak uitzet en afkoelt, vormt het de gewenste markering. In tegenstelling tot andere processen die slechts de kleur of textuur van het oppervlak veranderen, verandert laseretsen het oppervlak daadwerkelijk, waardoor een verhoogd of gezonken gebied met een ruwere textuur.

Door het oppervlak van een materiaal met behulp van een laser te veranderen, worden dus verschillende permanente ontwerpen en patronen gecreëerd.

Verschillende soorten lasers die voor het etsen worden gebruikt, zijn onder meer vezel-, CO2-, kristal-, diodelasers en diodegepompte vastestoflasers.

Deze methode om markeringen op een materiaal aan te brengen, biedt voordelen zoals snelheid en uitgebreid maatwerk. Het is ook een contactloze methode die geen chemische reacties veroorzaakt of mechanische spanningen veroorzaakt en markeringen van superieure kwaliteit produceert. Laseretsen is ook bestand tegen niet-schurende behandelingen zoals poedercoaten.

Bovendien kan laseretsen dat wel worden gebruikt op een grote verscheidenheid aan materialen zoals hout, leer, kunststoffen, glas, keramiek, natuursteen en halfgeleiders. Het is ook effectief op bijna alle metalen, waaronder aluminium, geanodiseerd aluminium, lood, magnesium, staal, zink, koper, messing en titanium. In principe kan vrijwel elk type materiaal met een laser worden geëtst. 

Laseretsen is echter niet zonder problemen, zoals hoge aanloopkosten voor machines. Bovendien kunnen de markeringen verslijten in schurende omgevingen, zoals omgevingen die worden blootgesteld aan zandstralen. 

Ondanks deze uitdagingen wegen de voordelen van laseretsen ruimschoots op tegen de nadelen, waardoor het voor de meeste markeertoepassingen wordt aanbevolen. Laser-etsen wordt veel gebruikt in vele industrieën vanwege zijn veelzijdigheid, efficiëntie en precisie, waaronder de automobiel-, elektronica-, verpakkings- en defensiemetaalproductie, sieraden, kunst en medische apparatuur.

Een andere interessante toepassing van laseretsen is dataopslag. Meer dan tien jaar geleden sprak Hitachi erover het bewaren van informatie honderden miljoenen jaren lang door het met laser te coderen in platen kwartsglas. Deze techniek loste echter het probleem van het beheer van de enorme hoeveelheid data niet op. 

Een paar jaar geleden zei Peter Kazansky, professor aan het Optoelectronics Research Center van de Universiteit van Southampton, opgeslagen 500 terabytes aan gegevens op een kleine glazen schijf via laseretsen.

Modificatie van polysulfide-oppervlakken met lasers met laag vermogen

Gezien de enorme voordelen van laseretsen zijn onderzoekers en wetenschappers altijd op zoek naar manieren om de technologie te verbeteren en nieuwe toepassingen te vinden. Onlangs hebben onderzoekers van Flinders University ontdekte dat een goedkoop, op licht reagerend, van zwavel afgeleid polymeer is ontvankelijk voor lasers met laag vermogen en zichtbaar licht. 

Om de oppervlakken van polymeren, die uit zeer grote moleculen bestaan, te veranderen, hebben we doorgaans lasers nodig die een zeer hoog vermogen uitstralen. Met behulp van krachtige lasers, hightech elektronica, biomedische producten en gegevensopslag componenten kunnen worden geproduceerd. Met de nieuwste ontdekking zien we echter betaalbaardere en veiligere productiemethoden. 

Volgens onderzoeksmedewerker en co-auteur Dr. Lynn Lisboa:

“De impact van deze ontdekking strekt zich uit tot ver buiten het laboratorium, met potentieel gebruik in biomedische apparaten, elektronica, informatieopslag, microfluïdica en vele andere functionele materiaaltoepassingen.” 

Gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition, de studie wijst op het belang van het modificeren van polymeeroppervlakken met laserlicht ter ondersteuning van de vooruitgang op diverse terreinen en wijst er tegelijkertijd op dat voor dergelijke wijzigingen doorgaans dure, krachtige lasers nodig zijn, die bovendien speciaal gereedschap en faciliteiten vereisen om het risico van blootstelling aan een gevaarlijk stralingsniveau te verminderen . Dan zijn er zelf polymeersystemen die vaak ingewikkeld en duur zijn om te ontwikkelen, zodat lasers ze gemakkelijk kunnen veranderen. 

Als zodanig zijn polymeren nodig die gemakkelijk toegankelijk zijn en reageren bij blootstelling aan lage stralingsniveaus, omdat dat eenvoudiger, veiliger en economischer lasersystemen zou betekenen.

De ontdekking van goedkope en snel veranderbare zwavelcopolymeren met behulp van lasers die zichtbaar en onzichtbaar infrarood licht met laag vermogen leveren, komt tegemoet aan deze behoeften. Om zwavelcopolymeren te maken, gebruikten de onderzoekers de elementaire zwavel (S) en cyclopentadieen of dicyclopentadieen. 

Vervolgens kon het team met behulp van een reeks lasers met een laag vermogen en golflengtes van 532, 638 en 786 nm de oppervlakken van de polymeren modificeren. Deze modificaties omvatten etsen door middel van ablatie of gecontroleerde zwelling. 

De studie maakte vervolgens gebruik van de modificatie van polymeersystemen door middel van laser- en eenvoudige synthese in twee toepassingen: wisbare informatieopslag en directe laserlithografie. Het hoge zwavelgehalte van deze polymeren zorgt voor een verscheidenheid aan chemische, fysische en optische eigenschappen, wat diverse toepassingen mogelijk maakt in energieopslag, thermische beeldvorming en metaalbinding.

Dan zijn er de S-S-obligaties die dat wel kunnen gebroken zijn en hervormd, waardoor herstel en gebruik mogelijk werden. De aansprakelijkheid van S−S-bindingen in zwavelcopolymeren leidde tot de ontdekkingen van de studie. In het bijzonder merkten de onderzoekers op dat het oppervlak van het copolymeer was zichtbaar veranderd vlak na een blootstelling van minder dan 1 seconde aan een diodelaser van 690 nm, 1.10 mW. In de studie stond:

“Gezien het lage vermogen van de laser en de korte belichtingstijden was deze snelle polymeermodificatie een verrassing.” 

Lasermodificaties maken uitwisbare informatieopslag mogelijk

Het scheikundetijdschrift waarin het onderzoek werd gepubliceerd, bevatte ook een lasergeëtste versie van de beroemde Mona Lisa-ets, samen met de afdruk van een microbraille, die kleiner was dan zelfs de ronde punt van een speld.

Het onderzoek, gefinancierd door de Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA en Microscopy Australia, benadrukt een ontdekking die de weg zou kunnen vrijmaken voor het gebruik van duurzamere materialen. In het bijzonder werd in het onderzoek gebruik gemaakt van een polymeer gemaakt van het goedkope industriële bijproduct elementaire zwavel. Bovendien kan deze methode de behoefte aan dure, gespecialiseerde apparatuur verminderen. Het is echter belangrijk op te merken dat lasers met hoog vermogen het risico van gevaarlijke straling met zich meebrengen.

De ontdekking was gemaakt tijdens een routineanalyse van een polymeer dat twee jaar geleden in het Chalker Lab werd uitgevonden door promovendus Samuel Tonkin en hoogleraar scheikunde Justin Chalke van het Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Het nieuwe polymeer gevonden om te worden aangepast op het moment dat het laserlicht het oppervlak raakte. In deze", zei de medeauteur van de studie en onderzoeker van Flinders University Dr. Christopher Gibson, was een "ongebruikelijke reactie" die niet is waargenomen eerder op andere veel voorkomende polymeren. Hij zei:

“We realiseerden ons meteen dat dit fenomeen nuttig zou kunnen zijn in een aantal toepassingen, dus hebben we een onderzoeksproject rond de ontdekking gebouwd.” 

Abigail Mann, een promovendus van het Flinders College of Science and Engineering, noemde dit een opwindende ontwikkeling en zei dat ze, door nieuwe technieken te gebruiken om structuren van micrometers en kleinere schaal te fabriceren voor op zwavel gebaseerde materialen, “hopen een breed scala aan realistische inzichten te inspireren. wereldtoepassingen in ons laboratorium en daarbuiten.”

Deze ontdekking biedt een nieuwe manier om precieze patronen op het polymeeroppervlak te genereren. Dergelijke mogelijkheden hebben potentiële toepassingen in biomedische apparaten met patroonoppervlakken, nieuwe methoden voor het gebruik van polymeren in gegevensopslag en alternatieve benaderingen voor de productie van apparaten op nanoschaal voor microfluïdica, sensoren en elektronica.

In een praktische demonstratie van het potentieel voor wisbare informatieopslag toonde het onderzoek de mogelijkheid aan om een ​​bericht in braille te coderen. In deze is behaald door een laser te gebruiken om verhoogde stippen op het materiaal te creëren, waarbij gebruik wordt gemaakt van de dynamische S-S-bindingen en eigenschappen die lijken op vitrimeer – een categorie kunststoffen die zowel het schrijven als het wissen van de boodschap vergemakkelijkte. 

Om de spelling van ‘geheime boodschap’ in braille te creëren, gebruikten de onderzoekers een laser met een lager laservermogen (638 nm, 2.4 mW). De verhoogde stippen, die een hoogte hadden van 3.6 μm ± 0.2 μm, werden gevormd door het oppervlak van het polymeer slechts 1.3 seconden aan de laser bloot te stellen.

Vervolgens gebruikte het team een ​​hogere vermogensinstelling (638 nm, 5.4 mW) om putjes in de hoeken te creëren door middel van ablatie en materiaalverwijdering. Opnieuw was de laserbelichting ook hier 1.3 seconden. 

Uit het onderzoek bleek dat de thermische behandeling de opgeheven stippen uitwist wanneer deze gedurende 160 uur in een oven bij 5 ° C werd geïncubeerd. De putjes gevormd door ablatie bleven ondertussen intact doordat het polymeer permanent zwavel verloor. 

Het proces van het coderen van verwijderbare informatie, zo blijkt uit het onderzoek, “vormt een nieuwe richting in fotoresponsieve materialen, met voordelen in de eenvoud van de materiaalsynthese en het gebruik van lasers met laag vermogen.”

De studie demonstreerde verder de generatie van een complex beeld op microschaal met behulp van directe laserlithografie. Met behulp van een laser van 532 nm die werkt op een vermogen van 7% (1.3 mW) genereerde het onderzoeksteam van Flinders de fijnere lijnen van de ‘Micro Lisa’. Het microbeeld was ongeveer negen μm breed en twee μm diep. Microns of micrometers, weergegeven als µm, komen overeen met een miljoenste van een meter. 

Met behulp van een laser met een hoger vermogen (3.0 mW) genereerde het team vervolgens de bredere en diepere lijnen van het 23 μm brede en XNUMX μm diepe vierkante frame. Deze directe laserlithografie onderscheidt zich volgens het team door de lage kosten van polymeersubstraten en de eenvoud van het lasersysteem.

Klik hier om te zien hoe lasers moderne computers kunnen transformeren.

Conclusie

Zoals we in dit onderzoek hebben gezien, konden de onderzoekers met behulp van zichtbaar en infrarood laserlicht met laag vermogen copolymeren modificeren. De aanpassingen zijn snel doorgevoerd, met extreem korte belichtingstijden: van milliseconden, een duizendste van een seconde tot een seconde. Deze tijdschaal kan van aanzienlijk voordeel zijn in verschillende industrieën, vooral in sectoren waar het hele prototyping- en productieproces nodig is klaar zijn snel.

Door de golflengte, diameter en kracht van de straal te regelen, konden de onderzoekers verhoogde punten, gaten, putten, kanalen en pieken op het polymeeroppervlak creëren. Deze veelzijdigheid betekent dat zelfs complexe patronen kunnen worden gecreëerd, die de functionaliteiten kunnen verbeteren en aan specifieke toepassingen kunnen voldoen. 

Maar dit is niet alles. Door simpelweg het monster te verwarmen, konden de onderzoekers de zwellingsmodificaties van het polymeer verder uitwissen. Deze mogelijkheden zijn aanzienlijk, zoals aangetoond door het team met directe laserlithografie van complexe beelden en wisbare informatiecodering.

Deze studie heeft niet alleen een eenvoudige methode en goedkope materialen en lasersystemen opgeleverd die kunnen helpen bij het bieden van meer toegankelijke en kosteneffectieve oplossingen, maar kunnen ook specifiek nuttig zijn op het gebied van encryptie, gegevensopslag en vele andere gebieden waar tijdelijke aanpassingen nodig zijn. nodig zijn.

Klik hier om te leren waarom lasers de komende dagen een cruciale rol zullen spelen.