Gegevensopslag via Lasergravure

Voor het eerst ontwikkeld in 1960, zijn lasers de afgelopen jaren steeds populairder geworden. De wereldwijde markt voor lasertechnologie wordt naar verwachting gegroeid tot $35.4 bln tegen 2032. Deze groei wordt aangedreven door de toenemende vraag naar lasers in verschillende sectoren, waaronder communicatie, defensie, wetenschap, beveiliging, gegevensopslag en meer.

Laser, apparaten die licht uitstralen via optische versterking, worden veelvuldig gebruikt voor graveren. Lasergravure is een proces om markeringen op het oppervlak van een product te creëren, zoals QR-codes, barcodes, logo’s en serienummers. Deze markeringen bevatten essentiële informatie om de herkomst van een bepaald product gedurende de volledige levenscyclus te volgen, waardoor veiligheid en duurzaamheid worden gegarandeerd. Bovendien wordt dit proces wordt gebruikt om kunstwerken voor producten te maken.

Lasergravure valt onder een bredere categorie van lasermerking, die ook laserannealing omvat – een proces dat het materiaal verwarmt – en lasergravure, waarbij het materiaal wordt verdampt. Door zijn hoge veelzijdigheid kan de laser de meeste metalen graveren.

Dus, hoe werkt dit?

Om een markering te creëren, zendt de laserstraal een grote hoeveelheid energie uit naar een geconcentreerd gebied, waardoor het oppervlak van het materiaal smelt. Terwijl het oppervlak uitzet en afkoelt, vormt zich de gewenste markering. In tegenstelling tot andere processen die alleen de kleur of textuur van het oppervlak veranderen, wijzigt lasergravure het oppervlak daadwerkelijk, waardoor een verhoogd of verzonken gebied met een ruwere textuur ontstaat.

Zo worden door het oppervlak van een materiaal met behulp van een laser te wijzigen, verschillende permanente ontwerpen en patronen gecreëerd.

Verschillende soorten lasers die voor graveren worden gebruikt, omvatten vezel-, CO2-, kristal-, diode-lasers en diode‑gestuurde solid‑state lasers.

Deze methode om markeringen op een materiaal te creëren biedt voordelen zoals snelheid en uitgebreide maatwerk. Het is bovendien een contactloze methode die geen chemische reacties veroorzaakt of mechanische spanningen creëert en levert markeringen van superieure kwaliteit. Lasergravure kan ook niet‑schurende behandelingen zoals poedercoating weerstaan.

Bovendien kan lasergravure worden toegepast op een breed scala aan materialen, zoals hout, leer, kunststoffen, glas, keramiek, natuursteen en halfgeleiders. Het is ook effectief op vrijwel alle metalen, waaronder aluminium, geanodiseerd aluminium, lood, magnesium, staal, zink, koper, messing en titanium. Kortom, vrijwel elk type materiaal kan met een laser worden gegraveerd.

Lasergravure kent echter ook nadelen, zoals hoge initiële kosten voor de machines. Bovendien kunnen de markeringen slijten in schurende omgevingen, zoals bij zandstralen.

Ondanks deze uitdagingen wegen de voordelen van lasergravure ruimschoots op tegen de nadelen, waardoor het wordt aanbevolen voor de meeste markeringstoepassingen. Lasergravure wordt breed toegepast in vele sectoren vanwege zijn veelzijdigheid, efficiëntie en precisie, waaronder de auto‑industrie, elektronica, verpakkingen, defensie‑metaalbewerking, sieraden, kunst en medische apparaten.

Een andere interessante toepassing van lasergravure is gegevensopslag. Meer dan tien jaar geleden sprak Hitachi over het bewaren van informatie gedurende honderden miljoenen jaren door deze met een laser in kwartsglasplaten te coderen. De techniek loste echter niet het probleem op van het beheren van de enorme hoeveelheid data.

Een paar jaar geleden slaagde Peter Kazansky, professor aan het Optoelectronics Research Centre van de Universiteit van Southampton, erin 500 terabyte aan data op een kleine glazen schijf op te slaan via lasergravure.

Modificatie van Polysulfide‑oppervlakken met Laagvermogenlasers

Gezien de enorme voordelen van lasergravure zoeken onderzoekers en wetenschappers voortdurend naar manieren om de technologie te verbeteren en nieuwe toepassingen te vinden. Recentelijk ontdekten onderzoekers van Flinders University dat een goedkope, licht‑responsieve, op zwavel gebaseerde polymeer reageert op laagvermogen, zichtbaar‑lichtlasers.

Normaal gesproken, om de oppervlakken van polymeren te wijzigen, die uit zeer grote moleculen bestaan, hebben we lasers nodig die zeer hoog vermogen uitstralen. Met hoogvermogenlasers kunnen high‑tech elektronica, biomedische producten en data‑opslagcomponenten worden geproduceerd. Met de nieuwste ontdekking zien we echter meer betaalbare en veiligere productiemethoden.

Volgens onderzoekassistent en coauteur Dr Lynn Lisboa:

“De impact van deze ontdekking reikt ver voorbij het laboratorium, met potentieel gebruik in biomedische apparaten, elektronica, informatieopslag, microfluidica en vele andere functionele materiaaltoepassingen.”

Gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition, merkt de studie het belang op van het modificeren van polymeeroppervlakken met laserlicht ter ondersteuning van vooruitgang in diverse vakgebieden, terwijl wordt benadrukt dat dergelijke aanpassingen doorgaans dure, hoogvermogenlasers vereisen, die bovendien speciale gereedschappen en faciliteiten nodig hebben om het risico op blootstelling aan gevaarlijke stralingsniveaus te verminderen. Daarnaast zijn er polymeersystemen die van nature complex en kostbaar zijn om te ontwikkelen, zodat lasers ze gemakkelijk kunnen aanpassen.

Daarom zijn polymeren die gemakkelijk toegankelijk zijn en reageren bij blootstelling aan lage stralingsniveaus nodig, omdat dit zou betekenen dat eenvoudigere, veiligere en economischere lasersystemen mogelijk zijn.

De ontdekking van goedkope en snel aanpasbare zwavel‑copolymeren met behulp van lasers die laagvermogen zichtbaar en onzichtbaar infrarood licht leveren, beantwoordt aan deze behoeften. Om zwavel‑copolymeren te creëren, gebruikten de onderzoekers elementair zwavel (S) en ofwel cyclopentadieen of dicyclopentadieen.

Vervolgens kon het team, met behulp van een reeks laagvermogen‑golflasers met golflengten van 532, 638 en 786 nm, de oppervlakken van de polymeren modificeren. Deze aanpassingen omvatten graveren door ablatie of gecontroleerde zwelling.

De studie maakte vervolgens gebruik van de modificatie van polymeersystemen via laser en eenvoudige synthese in twee toepassingen – uitwisbare informatieopslag en directe laserlithografie. Het hoge zwavelgehalte van deze polymeren levert een reeks chemische, fysische en optische eigenschappen, waardoor diverse toepassingen mogelijk zijn in energieopslag, thermische beeldvorming en metaalbinding.

Daarbij zijn er de S−S‑bindingen die kunnen worden verbroken en opnieuw gevormd, waardoor herstel en hergebruik mogelijk zijn. De eigenschap van S−S‑bindingen in zwavel‑copolymeren leidde tot de ontdekkingen van de studie. Met name merkten de onderzoekers op dat het oppervlak van het copolymeer zichtbaar werd veranderd na een blootstelling van minder dan 1 seconde aan een 690 nm, 1,10 mW diode‑laser. De studie stelde:

“Gezien het lage vermogen van de laser en de korte blootstellingstijden, was deze snelle polymeerwijziging een verrassing.”

Lasermodificaties maken uitwisbare informatieopslag mogelijk

Het chemische tijdschrift waarin de studie werd gepubliceerd, bevatte ook een laser‑geëtste versie van de beroemde Mona Lisa‑gravure, samen met de afdruk van een micro‑braille, die zelfs kleiner was dan het ronde kopje van een speld.

Gefinancierd door de Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF‑SA en Microscopy Australia, benadrukt de studie een ontdekking die de weg kan vrijmaken voor het gebruik van duurzamere materialen. Concreet gebruikte de studie een polymeer gemaakt van het goedkope industriële bijproduct elementair zwavel. Bovendien kan deze methode de noodzaak voor dure, gespecialiseerde apparatuur verminderen. Het is echter belangrijk op te merken dat hoogvermogenlasers het risico van gevaarlijke straling met zich meebrengen.

De ontdekking werd gedaan tijdens een routinematige analyse van een polymeer dat twee jaar geleden werd uitgevonden in het Chalker Lab door PhD‑kandidaat Samuel Tonkin en professor scheikunde Justin Chalke van het Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Het nieuwe polymeer bleek direct te worden gemodificeerd zodra het laserlicht zijn oppervlak raakte. Dit, zei de medeauteur van de studie en onderzoeker aan Flinders University, Dr Christopher Gibson, was een “ongewone reactie” die nog niet eerder bij andere gangbare polymeren is waargenomen. Hij zei:

“We realiseerden ons onmiddellijk dat dit fenomeen nuttig zou kunnen zijn in verschillende toepassingen, dus bouwden we een onderzoeksproject rond deze ontdekking.”

Abigail Mann, PhD‑kandidaat aan het Flinders College of Science and Engineering, noemde dit een spannende ontwikkeling en zei dat ze met behulp van nieuwe technieken structuren van micrometer‑ en kleinere schaal voor zwavel‑gebaseerde materialen konden vervaardigen, en “hopen een breed scala aan real‑world toepassingen in ons laboratorium en daarbuiten te inspireren.”

Deze ontdekking biedt een nieuwe manier om precieze patronen op het polymeeroppervlak te genereren. Deze mogelijkheid heeft potentiële toepassingen in biomedische apparaten met gestructureerde oppervlakken, nieuwe methoden voor het gebruik van polymeren in gegevensopslag, en alternatieve benaderingen voor de productie van nanoschaal‑apparaten voor microfluidica, sensoren en elektronica.

In een praktische demonstratie van het potentieel voor uitwisbare informatieopslag liet de studie zien dat een bericht in Braille kon worden gecodeerd. Dit werd bereikt door een laser te gebruiken om verhoogde stippen op het materiaal te creëren, waarbij gebruik werd gemaakt van de dynamische S−S‑bindingen en eigenschappen die lijken op vitrimer – een categorie kunststoffen die zowel het schrijven als het wissen van het bericht mogelijk maken.

Om de spelling van “secret message” in Braille te maken, gebruikten de onderzoekers een laser met een lagere vermogensinstelling (638 nm, 2,4 mW). De verhoogde stippen, met een hoogte van 3,6 μm±0,2 μm, werden gevormd door het oppervlak van het polymeer gedurende slechts 1,3 seconde 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 via ablatie en materiaalverwijdering. Ook hier bedroeg de laserblootstelling 1,3 seconde.

De studie ontdekte dat de thermische behandeling de opgeheven stippen wist wanneer ze gedurende 5 uur in een oven op 160 °C werden geïncubeerd. De door ablatie gevormde putjes bleven intussen intact doordat het polymeer permanent zwavel verloor.

Het proces van verwijderbare informatiecodering, volgens de studie, “vormt een nieuwe richting in foto‑responsieve materialen, met voordelen in de eenvoud van de materiaalsynthese en het gebruik van laagvermogenlasers.”

De studie toonde bovendien de generatie van een complex, microschaal‑beeld aan met behulp van directe laserlithografie. Met een 532 nm laser die op 7 % vermogen (1,3 mW) werkte, genereerde het Flinders‑onderzoeksteam de fijnere lijnen van de “Micro Lisa”. Het micro‑beeld was ongeveer negen μm breed en twee μm diep. Microns of micrometers, weergegeven als µm, zijn gelijk aan één miljoenste van een meter.

Met een laser met hoger vermogen (3,0 mW) genereerde het team vervolgens de bredere en diepere lijnen van het 23 μm brede en vijf μm diepe vierkante frame. Deze directe laserlithografie, volgens het team, onderscheidt zich door de lage kosten van polymeer‑substraten en de eenvoud van het lasersysteem.

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

Conclusie

Zoals we in deze studie zagen, konden de onderzoekers copolymeren modificeren met laagvermogen zichtbaar en infrarood laserlicht. De aanpassingen waren snel, met extreem korte blootstellingstijden – van milliseconden, een duizendste van een seconde, tot een seconde. Deze tijdschaal kan een aanzienlijk voordeel bieden in diverse industrieën, vooral diegene die vereisen dat het volledige prototyping‑ en productieproces snel wordt uitgevoerd.

Door de golflengte, diameter en het vermogen van de straal te regelen, konden de onderzoekers verhoogde stippen, gaten, putjes, kanalen en stekels op het polymeeroppervlak creëren. Deze veelzijdigheid betekent dat zelfs complexe patronen kunnen worden gemaakt, wat functionaliteiten kan verbeteren en aan specifieke toepassingen kan voldoen.

Maar dat is nog niet alles. Door simpelweg het monster te verwarmen, konden de onderzoekers bovendien de zwelling‑aanpassingen van het polymeer wissen. Deze mogelijkheden zijn significant, zoals het team aantoonde met directe laserlithografie van complexe beelden en uitwisbare informatiecodering.

Deze studie heeft niet alleen een eenvoudige methode en goedkope materialen en lasersystemen geleverd die meer toegankelijke en kosteneffectieve oplossingen kunnen bieden, maar kan ook specifiek nuttig zijn in encryptie, gegevensopslag en vele andere velden waar tijdelijke aanpassingen nodig zijn.

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