Ciência dos materiais
Armazenamento de Dados por Gravação a Laser
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Desenvolvidos pela primeira vez em 1960, os lasers têm aumentado em popularidade nos últimos anos. O mercado global de tecnologia a laser está projetado a crescer para $35.4 bln até 2032. Esse crescimento é impulsionado pela crescente demanda por lasers em diferentes setores, incluindo comunicação, defesa, ciência, segurança, armazenamento de dados e mais.
Os lasers, que são dispositivos que emitem luz por amplificação óptica, são amplamente usados para gravação. A gravação a laser é um processo para criar marcas na superfície de um produto, como códigos QR, códigos de barras, logotipos e números de série. Essas marcas contêm informações vitais para rastrear a origem de um determinado produto ao longo de todo o seu ciclo de vida, garantindo sua segurança e durabilidade. Além disso, esse processo é usado para criar obras de arte para produtos.
A gravação a laser se enquadra em uma categoria maior de marcação a laser, que também inclui o recozimento a laser — um processo que aquece o material — e a gravação a laser, que envolve a vaporização do material. Sendo altamente versátil, o laser pode gravar a maioria dos metais.
Então, como isso funciona?
Para criar uma marca, o feixe de laser emite uma grande quantidade de energia em uma área concentrada, fundindo a superfície do material. Conforme a superfície se expande e esfria, forma a marca desejada. Ao contrário de outros processos que apenas mudam a cor ou a textura da superfície, a gravação a laser realmente altera a superfície, criando uma área elevada ou rebaixada com uma textura mais áspera.
Assim, ao alterar a superfície de um material com a ajuda de um laser, são criados diferentes designs e padrões permanentes.
Os diferentes tipos de lasers usados para gravação incluem lasers de fibra, CO2, cristal, diodo e lasers de estado sólido bombeados por diodo.
Este método de criar marcas em um material oferece benefícios como rapidez e ampla personalização. Também é um método sem contato que não causa reações químicas nem gera tensões mecânicas e produz marcas de qualidade superior. A gravação a laser também pode suportar tratamentos não abrasivos, como revestimento em pó.
Além disso, a gravação a laser pode ser usada em uma ampla variedade de materiais, como madeira, couro, plásticos, vidro, cerâmica, pedra natural e semicondutores. Também é eficaz em quase todos os metais, incluindo alumínio, alumínio anodizado, chumbo, magnésio, aço, zinco, cobre, latão e titânio podem ser gravados. Basicamente, quase qualquer tipo de material pode ser gravado a laser.
No entanto, a gravação a laser não está isenta de problemas, como os altos custos iniciais das máquinas. Além disso, as marcas podem se desgastar em ambientes abrasivos, como aqueles expostos a jateamento de areia.
Apesar desses desafios, os benefícios da gravação a laser superam amplamente suas desvantagens, tornando-a recomendada para a maioria das aplicações de marcação. A gravação a laser é amplamente usada em muitas indústrias devido à sua versatilidade, eficiência e precisão, incluindo automotiva, eletrônica, embalagem, fabricação de metais de defesa, joalheria, arte e dispositivos médicos.
Outra aplicação interessante da gravação a laser é o armazenamento de dados. Há mais de uma década, a Hitachi falou sobre preservar informações por centenas de milhões de anos, codificando a laser em blocos de vidro de quartzo. No entanto, a técnica não abordou o problema de gerenciar a enorme quantidade de dados.
Há alguns anos, Peter Kazansky, professor no Centro de Pesquisa em Optoeletrônica da Universidade de Southampton, armazenou 500 terabytes de dados em um pequeno disco de vidro via gravação a laser.
Modificação de Superfícies de Polissulfeto com Lasers de Baixa Potência
Dado os enormes benefícios da gravação a laser, pesquisadores e cientistas estão sempre buscando maneiras de melhorar a tecnologia e encontrar novas aplicações. Recentemente, pesquisadores da Flinders University descobriram que um polímero derivado de enxofre barato e sensível à luz é receptivo a lasers de baixa potência e luz visível.
Normalmente, para alterar as superfícies de polímeros, que consistem em moléculas muito grandes, precisamos de lasers que emitam potência muito alta. Usando lasers de alta potência, componentes de eletrônica avançada, produtos biomédicos e armazenamento de dados podem ser produzidos. No entanto, com a descoberta mais recente, podemos ver métodos de produção mais acessíveis e seguros.
De acordo com a associada de pesquisa e coautora Dra. Lynn Lisboa:
“O impacto desta descoberta vai muito além do laboratório, com uso potencial em dispositivos biomédicos, eletrônicos, armazenamento de informações, microfluídica e muitas outras aplicações de materiais funcionais.”
Publicado na Angewandte Chemie International Edition, o estudo aponta a importância de modificar superfícies de polímeros com luz laser para apoiar avanços em vários campos, ao mesmo tempo que destaca que tais alterações geralmente requerem lasers caros e de alta potência, que por sua vez exigem ferramentas e instalações especiais para reduzir o risco de exposição a níveis perigosos de radiação. Além disso, existem sistemas de polímeros que tendem a ser complexos e caros de desenvolver para que os lasers possam alterá-los com facilidade.
Assim, são necessários polímeros que sejam facilmente acessíveis e que reajam quando expostos a baixos níveis de radiação, pois isso significaria sistemas de laser mais simples, seguros e econômicos.
A descoberta de copolímeros de enxofre baratos e rapidamente alteráveis usando lasers que fornecem luz visível e infravermelha de baixa potência atende a essas necessidades. Para criar copolímeros de enxofre, os pesquisadores utilizaram o enxofre elementar (S) e ou ciclopentadieno ou diciclopentadieno.
Em seguida, usando um conjunto de lasers de onda de baixa potência com comprimentos de onda de 532, 638 e 786 nm, a equipe conseguiu modificar as superfícies dos polímeros. Essas modificações incluem gravação por ablação ou inchaço controlado.
O estudo então utilizou a modificação de sistemas de polímeros por laser e síntese facilitada em duas aplicações — armazenamento de informação apagável e litografia a laser direta. O alto teor de enxofre desses polímeros transmite uma variedade de propriedades químicas, físicas e ópticas, permitindo diversas aplicações em armazenamento de energia, óptica de imagem térmica e ligação de metais.
Então, há as ligações S−S que podem ser quebradas e reformadas, permitindo restauração e uso. A vulnerabilidade das ligações S−S em copolímeros de enxofre foi o que levou às descobertas do estudo. Em particular, os pesquisadores observaram que a superfície do copolímero foi visivelmente alterada logo após uma exposição de menos de 1 segundo a um laser de diodo de 690 nm, 1,10 mW. O estudo afirmou:
“Dada a baixa potência do laser e os curtos tempos de exposição, essa modificação rápida do polímero foi uma surpresa.”
Modificações a Laser Permitem Armazenamento de Informação Apagável
A revista de química onde o estudo foi publicado também apresentou uma versão gravada a laser da famosa gravação da Mona Lisa, juntamente com a impressão de um micro-braile, que era menor até mesmo que a cabeça arredondada de um alfinete.
Financiado pelo Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA e Microscopy Australia, o estudo destaca uma descoberta que pode abrir caminho para o uso de materiais mais sustentáveis. Especificamente, o estudo utilizou um polímero feito a partir do subproduto industrial de baixo custo, o enxofre elementar. Além disso, esse método pode mitigar a necessidade de equipamentos caros e especializados. É importante notar, porém, que lasers de alta potência apresentam risco de radiação perigosa.
A descoberta foi feita durante uma análise de rotina de um polímero inventado há dois anos no Chalker Lab pelo candidato a PhD Samuel Tonkin e pelo Professor de Química Justin Chalke do Instituto de Ciências e Engenharia Nanoescala da Flinders University.
O polímero inovador foi encontrado para ser modificado assim que a luz do laser tocou sua superfície. Isso, disse o coautor do estudo e pesquisador da Flinders University Dr Christopher Gibson, foi uma “resposta incomum” que não havia sido observada antes em quaisquer outros polímeros comuns. Ele disse:
“Percebemos imediatamente que esse fenômeno poderia ser útil em várias aplicações, então construímos um projeto de pesquisa em torno da descoberta.”
Chamando isso de um desenvolvimento empolgante, Abigail Mann, candidata a PhD da Flinders College of Science and Engineering, disse que ao usar técnicas inovadoras para fabricar estruturas em escala micrométrica e menores para materiais à base de enxofre, eles “esperam inspirar uma ampla gama de aplicações reais em nosso laboratório e além”.
Esta descoberta fornece uma nova forma de gerar padrões precisos na superfície do polímero. Essa capacidade tem aplicações potenciais em dispositivos biomédicos com superfícies padronizadas, métodos inovadores para usar polímeros no armazenamento de dados e abordagens alternativas para a fabricação de dispositivos em escala nanométrica para microfluídica, sensores e eletrônicos.
Em uma demonstração prática de seu potencial para armazenamento de informação apagável, o estudo mostrou a capacidade de codificar uma mensagem em Braille. Isso foi alcançado usando um laser para criar pontos elevados no material, aproveitando as ligações dinâmicas S−S e propriedades semelhantes a vitrimer — uma categoria de plásticos que facilitou tanto a escrita quanto a apagamento da mensagem.
Para criar a grafia de “mensagem secreta” em Braille, os pesquisadores usaram um laser com uma configuração de baixa potência (638 nm, 2,4 mW). Os pontos elevados, que tinham uma altura de 3,6 µm±0,2 µm, foram formados expondo a superfície do polímero ao laser por apenas 1,3 segundos.
Em seguida, a equipe usou uma configuração de potência mais alta (638 nm, 5,4 mW) para criar cavidades nos cantos por meio de ablação e remoção de material. Novamente, a exposição ao laser aqui também foi de 1,3 segundos.
O estudo constatou que o tratamento térmico apagou os pontos elevados quando incubado em um forno a 160 °C por 5 horas. As cavidades formadas por ablação, por sua vez, permaneceram intactas devido à perda permanente de enxofre do polímero.
O processo de codificação de informação removível, segundo o estudo, “constitui uma nova direção em materiais fotoresponsivos, com benefícios na simplicidade da síntese do material e no uso de lasers de baixa potência”.
O estudo demonstrou ainda a geração de uma imagem complexa em escala microscópica usando litografia a laser direta. Usando um laser de 532 nm operando a 7 % de potência (1,3 mW), a equipe de pesquisa da Flinders gerou as linhas mais finas da “Micro Lisa”. A microimagem tinha cerca de nove µm de largura e dois µm de profundidade. Micrômetros ou micrômetros, representados como µm, são equivalentes a um milionésimo de metro.
Usando um laser de potência mais alta (3,0 mW), a equipe então gerou linhas mais largas e profundas de um quadro quadrado de 23 µm de largura e cinco µm de profundidade. Essa litografia a laser direta, segundo a equipe, destaca-se pelo baixo custo dos substratos de polímero e pela simplicidade do sistema de laser.
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Conclusão
Como vimos neste estudo, ao usar luz laser visível e infravermelha de baixa potência, os pesquisadores foram capazes de modificar copolímeros. As modificações foram rápidas, com tempos de exposição extremamente curtos — de milissegundos, um milésimo de segundo, até um segundo. Essa escala de tempo pode ser uma vantagem significativa em várias indústrias, especialmente naquelas que exigem que todo o processo de prototipagem e fabricação seja realizado rápido.
Controlando o comprimento de onda, diâmetro e potência do feixe, os pesquisadores foram capazes de criar pontos elevados, furos, cavidades, canais e picos na superfície do polímero. Essa versatilidade significa que até padrões complexos podem ser criados, o que pode melhorar funcionalidades e atender a aplicações específicas.
Mas isso não é tudo. Simplesmente aquecendo a amostra, os pesquisadores também conseguiram apagar as modificações de inchaço do polímero. Essas capacidades são significativas, como demonstrado pela equipe com litografia a laser direta de imagens complexas e codificação de informação apagável.
Este estudo não apenas forneceu um método simples, bem como materiais e sistemas de laser de baixo custo que podem ajudar a oferecer soluções mais acessíveis e econômicas, mas também pode ser especificamente útil em criptografia, armazenamento de dados e muitos outros campos onde modificações temporárias são necessárias.
