Lagring av data gjennom lasergravering

Først utviklet i 1960, har lasere økt i popularitet de siste årene. Det globale laserteknologimarkedet er forventet å vokse til $35,4 milliarder innen 2032. Denne veksten drives av den økende etterspørselen etter lasere på tvers av ulike sektorer, inkludert kommunikasjon, forsvar, vitenskap, sikkerhet, datalagring og mer.

Lasere, som er enheter som emitterer lys via optisk forsterkning, brukes mye til gravering. Lasergravering er en prosess for å lage merker på overflaten av et produkt, som QR‑koder, strekkoder, logoer og serienumre. Disse merkene inneholder viktig informasjon for å spore kilden til et bestemt produkt gjennom hele livssyklusen, og sikrer dets sikkerhet og holdbarhet. I tillegg brukes til å lage kunstverk for produkter.

Lasergravering faller inn under en større kategori av lasermarkering, som også inkluderer laserannealing – en prosess som varmer opp materialet – og lasergravering, som innebærer å fordampe materialet. Laser er svært allsidig og kan gravere de fleste metaller.

Så, hvordan fungerer dette?

For å lage et merke, sender laserstrålen ut en stor mengde energi til et konsentrert område, og smelter materialets overflate. Når overflaten utvider seg og kjøles ned, dannes det ønskede merket. I motsetning til andre prosesser som bare endrer farge eller tekstur på overflaten, endrer lasergravering faktisk overflaten, og skaper et hevet eller innfelt område med en ruere tekstur.

Dermed, ved å endre overflaten på et materiale med hjelp av en laser, skapes ulike permanente design og mønstre.

Ulike typer lasere som brukes til gravering inkluderer fiber, CO2, krystall, diode‑lasere og diode‑pumpede faststofflasere.

Denne metoden for å lage merker på et materiale gir fordeler som hastighet og omfattende tilpasning. Det er også en kontaktfri metode som ikke forårsaker kjemiske reaksjoner eller mekanisk belastning, og som produserer merker av overlegen kvalitet. Lasergravering kan også tåle ikke‑abrasive behandlinger som pulverlakkering.

I tillegg kan lasergravering brukes på et bredt spekter av materialer som tre, lær, plast, glass, keramikk, naturlig stein og halvledere. Det er også effektivt på nesten alle metaller, inkludert aluminium, anodisert aluminium, bly, magnesium, stål, sink, kobber, messing og titan som kan gravers. I hovedsak kan nesten alle typer materialer lasergraveres. 

Imidlertid er lasergravering ikke uten problemer, som høye oppstartskostnader for maskiner. I tillegg kan merkene slites i abrasive miljøer, som de som er utsatt for sandblåsing. 

Til tross for disse utfordringene, oppveier fordelene med lasergravering langt ulemperne, og gjør den anbefalt for de fleste merkingsapplikasjoner. Lasergravering brukes mye på tvers av mange industrier for sin allsidighet, effektivitet og presisjon, inkludert bilindustri, elektronikk, emballasje, forsvarsmetallfremstilling, smykker, kunst og medisinsk utstyr.

En annen interessant anvendelse av lasergravering er datalagring. For mer enn et tiår siden snakket Hitachi om bevaring av informasjon i hundrevis av millioner år ved å laser‑kodes i kvartsglassplater. Imidlertid taklet teknikken ikke problemet med å håndtere den enorme mengden data. 

For noen år siden, Peter Kazansky, en professor ved Optoelectronics Research Centre ved University of Southampton, lagret 500 terabyte data på en liten glassplate via lasergravering.

Modifisering av polysulfidoverflater med lav‑energi lasere

Gitt de enorme fordelene med lasergravering, leter forskere og vitenskapsfolk alltid etter måter å forbedre teknologien og finne nye anvendelser. Nylig oppdaget forskere fra Flinders University at en rimelig, lys‑responsiv svovel‑avledet polymer er mottakelig for lav‑effekt, synlig‑lys lasere. 

Vanligvis, for å endre overflatene på polymerer, som består av svært store molekyler, trenger vi lasere som sender ut svært høy effekt. Ved bruk av høy‑effekt lasere kan høy‑teknologisk elektronikk, biomedisinske produkter og datalagringskomponenter produseres. Imidlertid, med den siste oppdagelsen, kan vi se mer rimelige og tryggere produksjonsmetoder. 

Ifølge forskningsassistent og medforfatter Dr Lynn Lisboa:

“Innvirkningen av denne oppdagelsen strekker seg langt utover laboratoriet, med potensiell bruk i biomedisinske enheter, elektronikk, informasjonslagring, mikrofluidikk og mange andre funksjonelle materialapplikasjoner.” 

Publisert i Angewandte Chemie International Edition, studien noterer viktigheten av å modifisere polymeroverflater med laserlys for å støtte fremskritt innen ulike felt, samtidig som den påpeker at slike endringer vanligvis krever dyre, høy‑effekt lasere, som videre krever spesialverktøy og fasiliteter for å redusere risikoen for eksponering for farlig stråling. I tillegg er polymersystemene selv ofte komplekse og kostbare å utvikle slik at lasere kan endre dem med letthet. 

Derfor trengs polymerer som er lett tilgjengelige og reagerer når de utsettes for lave nivåer av stråling, da dette vil bety enklere, tryggere og mer økonomiske lasersystemer.

Oppdagelsen av rimelige og raskt endrbare svovel‑kopolymerer ved bruk av lasere som leverer lav‑effekt synlig og usynlig infrarødt lys adresserer disse behovene. For å lage svovel‑kopolymerer brukte forskerne elementært svovel (S) og enten syklopentadien eller diksyklopentadien. 

Deretter, ved bruk av en rekke lav‑effekt bølgelasere med bølgelengder på 532, 638 og 786 nm, klarte teamet å modifisere polymerenes overflater. Disse modifikasjonene inkluderer gravering gjennom ablasjon eller kontrollert svelling. 

Studien benyttet deretter polymermodifikasjon gjennom laser og enkel syntese i to anvendelser — utslettbar informasjonslagring og direkte laserlithografi. Det høye svovelinnholdet i disse polymerene gir en rekke kjemiske, fysiske og optiske egenskaper, som muliggjør ulike anvendelser innen energilagring, termisk bildebehandling og metallbinding.

Deretter er S−S‑bindingene som kan brytes og reformeres, noe som muliggjør gjenoppretting og bruk. S−S‑bindingenes egenskap i svovel‑kopolymerer er det som førte til studiens oppdagelser. Spesielt bemerket forskerne at polymerens overflate ble synlig endret rett etter en eksponering på mindre enn 1 sekund til en 690 nm, 1,10 mW diode‑laser. Studien uttalte:

“Gitt den lave effekten til laseren og de korte eksponeringstidene, var denne raske polymermodifikasjonen en overraskelse.” 

Lasermodifikasjoner muliggjør utslettbar informasjonslagring

Det kjemiske tidsskriftet hvor studien ble publisert inneholdt også en lasergravert versjon av det berømte Mona Lisa-etching sammen med trykk av en mikro‑braille, som var mindre enn selv hodet på en spiker.

Finansiert av Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF‑SA, og Microscopy Australia, fremhever studien en oppdagelse som kan bane vei for bruk av mer bærekraftige materialer. Spesifikt benyttet studien en polymer laget av det rimelige industrielle biproduktet elementært svovel. Videre kan denne metoden redusere behovet for dyrt, spesialisert utstyr. Det er viktig å merke seg at høy‑effekt lasere medfører risiko for farlig stråling.

Oppdagelsen ble gjort under en rutinemessig analyse av en polymer oppfunnet for to år siden ved Chalker Lab av PhD‑kandidat Samuel Tonkin og professor i kjemi Justin Chalke fra Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Den nye polymeren ble funnet å bli modifisert så snart laserlyset berørte overflaten. Dette, studiens medforfatter og Flinders University‑forsker Dr Christopher Gibson sa, var en “uvanlig respons” som ikke har blitt observert tidligere på andre vanlige polymerer. Han sa:

“Vi innså umiddelbart at dette fenomenet kunne være nyttig i en rekke anvendelser, så vi bygde et forskningsprosjekt rundt oppdagelsen.” 

Ved å kalle dette en spennende utvikling, sa Abigail Mann, PhD‑kandidat ved Flinders College of Science and Engineering, at ved å bruke nye teknikker for å fremstille strukturer i mikrometer‑ og mindre skala for svovelbaserte materialer, de “håper å inspirere et bredt spekter av virkelige anvendelser i vårt laboratorium og utenfor.”

Denne oppdagelsen gir en ny måte å generere presise mønstre på polymeroverflaten. En slik evne har potensielle anvendelser i biomedisinske enheter med mønstrede overflater, nye metoder for bruk av polymerer i datalagring, og alternative tilnærminger til produksjon av nanoskalade enheter for mikrofluidikk, sensorer og elektronikk.

I en praktisk demonstrasjon av potensialet for utslettbar informasjonslagring, viste studien evnen til å kode en melding i Braille. Dette ble oppnådd ved å bruke en laser til å lage hevede prikker på materialet, utnyttende de dynamiske S−S‑bindingene og egenskaper lik vitrimer — en kategori av plast som muliggjør både skriving og sletting av meldingen. 

For å lage stavelsen “secret message” i Braille, brukte forskerne en laser med en lavere laserinnstilling (638 nm, 2,4 mW). De hevede prikkene, som hadde en høyde på 3,6 µm±0,2 µm, ble dannet ved å eksponere polymerens overflate for kun 1,3 sekunder.

Deretter brukte teamet en høyere innstilling (638 nm, 5,4 mW) for å lage hull i hjørnene gjennom ablasjon og materialfjerning. Igjen var lasereksponeringen også 1,3 sekunder. 

Studien fant at den termiske behandlingen slettet de hevede prikkene når de ble inkubert i en ovn ved 160 °C i 5 timer. Hullene dannet ved ablasjon forble intakte på grunn av at polymeren permanent mistet svovel. 

Prosessen med fjernbar informasjonskoding, ifølge studien, “utgjør en ny retning innen fotoresponsive materialer, med fordeler i enkelheten av materialsyntese og bruk av lav‑effekt lasere.”

Studien demonstrerte videre genereringen av et komplekst, mikroskala‑bilde ved direkte laserlithografi. Ved bruk av en 532 nm laser som opererte på 7 % effekt (1,3 mW), genererte Flinders‑forskerteamet de finere linjene i “Micro Lisa”. Mikrobildet var omtrent ni µm bredt og to µm dypt. Mikrometer eller mikrometer, representert som µm, tilsvarer en milliondel av en meter. 

Ved å bruke en høyere effektlaser (3,0 mW), genererte teamet deretter de bredere og dypere linjene av den 23 µm brede og fem µm dype firkantede rammen. Denne direkte laserlithografien, ifølge teamet, er særpreget ved den lave kostnaden for polymersubstrater og enkelheten i lasersystemet.

Klikk her for å lære hvordan lasere kan transformere moderne datamaskiner.

Konklusjon

Som vi så i denne studien, ved bruk av lav‑effekt synlig og infrarød laserlys, klarte forskerne å modifisere kopolymerer. Modifikasjonene har vært raske, med eksponeringstid svært kort — fra millisekunder, en tusendel av et sekund, til ett sekund. Denne tidsramen kan være en betydelig fordel i ulike industrier, spesielt de som krever at hele prototyp‑ og produksjonsprosesser gjøres raskt.

Ved å kontrollere bølgelengde, diameter og effekt av strålen, klarte forskerne å lage hevede prikker, hull, groper, kanaler og spisser på polymeroverflaten. Denne allsidigheten betyr at selv komplekse mønstre kan lages, noe som kan forbedre funksjonalitet og møte spesifikke anvendelser. 

Men dette er ikke alt. Bare ved å varme opp prøven, klarte forskerne også å slette polymerens svellingsmodifikasjoner. Disse evnene er betydningsfulle, som demonstrert av teamet med direkte laserlithografi av komplekse bilder og utslettbar informasjonskoding.

Denne studien har ikke bare gitt en enkel metode samt lav‑kostnadsmaterialer og lasersystemer som kan bidra til mer tilgjengelige og kostnadseffektive løsninger, men kan også være spesielt nyttig i kryptering, datalagring, og mange andre felt hvor midlertidige modifikasjoner er nødvendige.

Klikk her for å lære hvorfor lasere er satt til å spille en sentral rolle i de kommende dagene.