Agham ng Materyales
Pag-iimbak ng Data sa Pamamagitan ng Laser Etching
Una na-develop noong 1960, ang mga laser ay patuloy na tumataas ang kasikatan sa mga nakaraang taon. Ang pandaigdigang merkado ng teknolohiyang laser ay inaasahang lalago hanggang $35.4 bln pagsapit ng 2032. Ang paglago na ito ay dulot ng tumataas na pangangailangan para sa mga laser sa iba’t ibang sektor, kabilang ang komunikasyon, depensa, agham, seguridad, pag-iimbak ng data, at iba pa.
Ang mga laser, na mga aparato na naglalabas ng liwanag sa pamamagitan ng optical amplification, ay malawakang ginagamit para sa etching. Ang laser etching ay isang proseso para lumikha ng mga marka sa ibabaw ng isang produkto, tulad ng mga QR code, barcode, logo, at serial number. Ang mga markang ito ay naglalaman ng mahalagang impormasyon upang subaybayan ang pinagmulan ng isang partikular na produkto sa buong lifecycle nito, na tinitiyak ang kaligtasan at tibay nito. Bukod dito, ginagamit ang prosesong ito upang lumikha ng sining para sa mga produkto.
Ang laser etching ay kabilang sa mas malawak na kategorya ng laser marking, na kinabibilangan din ng laser annealing—isang proseso na nagpapainit ng materyal—at laser engraving, na nagbubuga ng materyal. Dahil sa mataas na pagiging versatile, ang laser ay maaaring mag-etch sa karamihan ng mga metal.
Kaya, paano ito gumagana?
Upang lumikha ng marka, ang laser beam ay naglalabas ng malaking halaga ng enerhiya sa isang konsentradong lugar, na nagmumula sa ibabaw ng materyal. Habang ang ibabaw ay lumalawak at lumalamig, ito ay bumubuo ng nais na marka. Hindi tulad ng ibang proseso na nagbabago lamang ng kulay o tekstura ng ibabaw, ang laser etching ay talagang binabago ang ibabaw, lumilikha ng nakaangat o nakabaong bahagi na may mas magaspang na tekstura.
Kaya, sa pamamagitan ng pagbabago ng ibabaw ng isang materyal gamit ang laser, iba’t ibang permanenteng disenyo at pattern ang nalilikha.
Iba’t ibang uri ng laser na ginagamit para sa etching ay kinabibilangan ng fiber, CO2, crystal, diode laser, at diode-pumped solid-state laser.
Ang pamamaraang ito ng paglikha ng mga marka sa isang materyal ay nag-aalok ng mga benepisyo tulad ng bilis at malawak na pag-customize. Ito rin ay isang non-contact na pamamaraan na hindi nagdudulot ng kemikal na reaksyon o mekanikal na stress at nagbubunga ng mga marka na may mataas na kalidad. Ang laser etching ay maaari ring tiisin ang mga non-abrasive na paggamot tulad ng powder coating.
Higit pa rito, maaaring gamitin ang laser etching sa malawak na hanay ng mga materyales tulad ng kahoy, balat, plastik, salamin, keramika, natural na bato, at mga semiconductor. Epektibo rin ito sa halos lahat ng metal, kabilang ang aluminyo, anodized aluminyo, tingga, magnesyo, bakal, zinc, tanso, brass, at titanium na maaaring i-etch. Sa pangkalahatan, halos anumang uri ng materyal ay maaaring i-laser etch.
Gayunpaman, ang laser etching ay hindi walang mga isyu, tulad ng mataas na paunang gastos para sa mga makina. Dagdag pa, ang mga marka ay maaaring masira sa mga abrasive na kapaligiran, tulad ng mga nasasangkot sa sandblasting.
Sa kabila ng mga hamong ito, ang mga benepisyo ng laser etching ay higit na nalalampasan ang mga kahinaan nito, kaya inirerekomenda ito para sa karamihan ng mga aplikasyon ng pagmamarka. Ang laser etching ay malawakang ginagamit sa maraming industriya dahil sa pagiging versatile, epektibo, at tumpak nito, kabilang ang automotive, electronics, packaging, at paggawa ng metal para sa depensa, alahas, sining, at mga medikal na aparato.
Isa pang kawili-wiling aplikasyon ng laser etching ay ang pag-iimbak ng data. Mahigit isang dekada na ang nakalipas, binanggit ng Hitachi ang pagpepreserba ng impormasyon sa loob ng daan-daang milyong taon sa pamamagitan ng laser-encoding nito sa mga slab ng quartz glass. Gayunpaman, hindi tinugunan ng teknikang ito ang problema ng pamamahala sa napakalaking dami ng data.
Ilang taon na ang nakalipas, si Peter Kazansky, isang propesor sa Optoelectronics Research Centre sa University of Southampton, ay nag-imbak ng 500 terabytes ng data sa isang maliit na glass disc gamit ang laser etching.
Pagbabago ng mga Polysulfide Surface gamit ang Low-Power na Laser
Dahil sa napakalawak na benepisyo ng laser etching, ang mga mananaliksik at siyentipiko ay patuloy na naghahanap ng mga paraan upang mapabuti ang teknolohiya at makahanap ng mga bagong aplikasyon. Kamakailan, natuklasan ng mga mananaliksik mula sa Flinders University na ang isang murang, light-responsive na polymer na nagmula sa sulfur ay tumatanggap ng low-power, visible-light na mga laser.
Karaniwan, upang baguhin ang mga ibabaw ng mga polymer, na binubuo ng napakalaking molekula, kailangan natin ng mga laser na naglalabas ng napakataas na kapangyarihan. Sa paggamit ng high-power na mga laser, maaaring gawin ang mga high-tech na elektronik, biomedical na produkto, at mga komponent ng pag-iimbak ng data. Gayunpaman, sa pinakabagong tuklas, nakikita natin ang mas abot-kayang at mas ligtas na mga pamamaraan ng produksyon.
Ayon kay research associate at co-author na si Dr Lynn Lisboa:
“Ang epekto ng pagtuklas na ito ay lampas pa sa laboratoryo, na may potensyal na magamit sa mga biomedical device, electronics, information storage, microfluidics, at marami pang iba pang functional material applications.”
Inilathala sa Angewandte Chemie International Edition, ang pag-aaral ay nagtatala ng kahalagahan ng pagbabago ng mga polymer surface gamit ang laser light upang suportahan ang mga pag-unlad sa iba’t ibang larangan habang binibigyang-diin na karaniwang nangangailangan ang ganitong mga pagbabago ng mamahaling, high-power na mga laser, na nangangailangan pa ng espesyal na kagamitan at pasilidad upang mabawasan ang panganib ng exposure sa mapanganib na antas ng radiation. Mayroon ding mga polymer system na mismo ay kumplikado at magastos pa para paunlarin upang madaling mabago ng mga laser.
Kaya, kailangan ang mga polymer na madaling ma-access at tumutugon kapag na-expose sa mababang antas ng radiation, dahil magreresulta ito sa mas simple, mas ligtas, at mas ekonomikong mga laser system.
Ang pagtuklas ng murang at mabilis na nababago na sulfur copolymers gamit ang mga laser na nagdadala ng low-power visible at invisible infrared light ay tumutugon sa mga pangangailangang ito. Upang lumikha ng sulfur copolymers, ginamit ng mga mananaliksik ang elemental sulfur (S) at alinman sa cyclopentadiene o dicyclopentadiene.
Pagkatapos, gamit ang isang hanay ng low-power wave lasers na may wavelength na 532, 638, at 786 nm, nagawang baguhin ng koponan ang mga ibabaw ng polymer. Kabilang sa mga pagbabagong ito ang etching sa pamamagitan ng ablation o kontroladong swelling.
Ginamit ng pag-aaral ang pagbabago ng polymer system sa pamamagitan ng laser at madaling synthesis sa dalawang aplikasyon—erasable information storage at direct laser lithography. Ang mataas na sulfur content ng mga polymer na ito ay nagdadala ng iba’t ibang chemical, physical, at optical properties, na nagbibigay-daan sa malawak na aplikasyon sa energy storage, thermal imaging optics, at metal binding.
Pagkatapos, may mga S−S bond na maaaring masira at maibalik, na nagbibigay-daan sa pag-recover at paggamit muli. Ang responsibilidad ng S−S bond sa sulfur copolymers ang nagdala sa mga natuklasan ng pag-aaral. Partikular, napansin ng mga mananaliksik na ang surface ng copolymer ay halatang nabago agad pagkatapos ng exposure na mas mababa sa 1 second sa isang 690 nm, 1.10 mW diode laser. Ang pag-aaral ay nagsabi:
“Dahil sa mababang kapangyarihan ng laser at maikling oras ng exposure, ang mabilis na pagbabago ng polymer ay isang sorpresa.”
Ang mga Laser Modification ay Nagpapahintulot ng Erasable na Pag-iimbak ng Impormasyon
Ang chemistry journal kung saan inilathala ang pag-aaral ay nagpakita rin ng isang laser-etched na bersyon ng kilalang Mona Lisa etching kasama ang pag-imprenta ng micro-braille, na mas maliit pa kaysa sa bilog na ulo ng karayom.
Pinondohan ng Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA, at Microscopy Australia, itinatampok ng pag-aaral ang isang pagtuklas na maaaring magbukas ng daan para sa paggamit ng mas sustainable na mga materyales. Partikular, gumamit ang pag-aaral ng polymer na ginawa mula sa murang industrial byproduct na elemental sulfur. Bukod pa rito, maaaring mabawasan ng metodong ito ang pangangailangan para sa mamahaling, espesyal na kagamitan. Mahalaga ring tandaan na ang high-power na mga laser ay may panganib ng mapanganib na radiation.
Ang pagtuklas ay naganap sa isang routine analysis ng polymer na inimbento dalawang taon na ang nakalipas sa Chalker Lab nina PhD candidate na si Samuel Tonkin at Professor of Chemistry na si Justin Chalke mula sa Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.
Natuklasan na ang bagong polymer ay nabago agad nang tumama ang laser light sa ibabaw nito. Ito, ayon kay co-author ng pag-aaral at mananaliksik mula sa Flinders University na si Dr Christopher Gibson, ay isang “hindi pangkaraniwang tugon” na hindi pa nasaksihan sa ibang karaniwang polymer. Sinabi niya:
“Agad naming naunawaan na ang phenomenon na ito ay maaaring magamit sa maraming aplikasyon, kaya nagbuo kami ng isang research project batay sa pagtuklas.”
Tinawag itong isang kapanapanabik na pag-unlad, sinabi ni Abigail Mann, isang PhD candidate sa Flinders College of Science and Engineering, na sa pamamagitan ng paggamit ng mga bagong teknik upang gumawa ng mga istruktura na may sukat na micrometer at mas maliit pa para sa mga sulfur-based na materyales, “umaasa kaming magbigay inspirasyon sa malawak na hanay ng mga real-world na aplikasyon sa aming laboratoryo at higit pa.”
Nagbibigay ang pagtuklas na ito ng bagong paraan ng pagbuo ng tumpak na pattern sa polymer surface. Ang kakayahang ito ay may potensyal na aplikasyon sa biomedical devices na may patterned surfaces, mga bagong paraan ng paggamit ng polymer sa data storage, at alternatibong pamamaraan sa paggawa ng nanoscale na mga device para sa microfluidics, sensors, at electronics.
Sa isang praktikal na demonstrasyon ng potensyal nito para sa erasable information storage, ipinakita ng pag-aaral ang kakayahang mag-encode ng mensahe sa Braille. Ito ay naabot sa pamamagitan ng paggamit ng laser upang lumikha ng nakaangat na tuldok sa materyal, gamit ang dynamic na S−S bonds at mga katangian na kahalintulad ng vitrimer—isang kategorya ng plastik na nagpapahintulot sa parehong pagsulat at pag-erase ng mensahe.
Upang likhain ang spelling ng “secret message” sa Braille, gumamit ang mga mananaliksik ng laser na may mas mababang power setting (638 nm, 2.4 mW). Ang mga nakaangat na tuldok, na may taas na 3.6 μm±0.2 μm, ay nabuo sa pamamagitan ng pag-expose ng ibabaw ng polymer sa laser sa loob lamang ng 1.3 segundo.
Pagkatapos, ginamit ng koponan ang mas mataas na power setting (638 nm, 5.4 mW) upang lumikha ng mga pits sa mga sulok sa pamamagitan ng ablation at pag-alis ng materyal. Muli, ang laser exposure ay 1.3 segundo din.
Natuklasan ng pag-aaral na ang thermal treatment ay nag-erase ng mga nakaangat na tuldok kapag ini-incubate sa oven sa 160 °C sa loob ng 5 oras. Ang mga pits na nabuo sa pamamagitan ng ablation ay nanatiling buo dahil ang polymer ay permanenteng nawalan ng sulfur.
Ang proseso ng removable information encoding, ayon sa pag-aaral, ay “nagbibigay ng bagong direksyon sa photoresponsive materials, na may mga benepisyo sa kasimplihan ng synthesis ng materyal at paggamit ng low-power na mga laser.”
Dagdag pa, ipinakita ng pag-aaral ang pagbuo ng isang komplikadong microscale na imahe gamit ang direct laser lithography. Gamit ang 532 nm laser na tumatakbo sa 7 % power (1.3 mW), nilikha ng Flinders research team ang mas pinong linya ng “Micro Lisa.” Ang microimage ay may lapad na halos siyam μm at lalim na dalawang μm. Ang microns o micrometers, na kinakatawan bilang µm, ay katumbas ng isang-millionth ng metro.
Gamit ang mas mataas na power laser (3.0 mW), nilikha ng koponan ang mas malapad at mas malalim na linya ng 23 μm na lapad at limang μm na lalim na square frame. Ang direct laser lithography na ito, ayon sa koponan, ay natatangi dahil sa mababang gastos ng polymer substrates at kasimplihan ng laser system.
I-click dito upang matutunan kung paano maaaring baguhin ng mga laser ang modernong mga computer.
Konklusyon
Tulad ng nakita natin sa pag-aaral na ito, gamit ang low-power visible at infrared laser light, nagawang baguhin ng mga mananaliksik ang mga copolymer. Ang mga pagbabago ay mabilis, na may exposure time na napaka-maikli — mula milisecond, isang libong bahagi ng segundo, hanggang isang segundo. Ang ganitong timescale ay maaaring magbigay ng malaking bentahe sa iba’t ibang industriya, lalo na sa mga nangangailangan ng mabilis na prototyping at manufacturing processes.
Sa pamamagitan ng pagkontrol sa wavelength, diameter, at power ng beam, nagawang lumikha ng mga nakaangat na tuldok, butas, pits, channels, at spikes sa polymer surface ang mga mananaliksik. Ang versatility na ito ay nangangahulugang kahit ang komplikadong pattern ay maaaring likhain, na maaaring mapabuti ang mga functionality at matugunan ang tiyak na mga aplikasyon.
Ngunit hindi dito nagtatapos. Sa simpleng pag-init ng sample, nagawang i-erase ng mga mananaliksik ang mga polymer swelling modifications. Ang mga kakayahang ito ay mahalaga, tulad ng ipinakita ng koponan sa direct laser lithography ng komplikadong imahe at erasable information encoding.
Ang pag-aaral na ito ay hindi lamang nagbigay ng simpleng pamamaraan pati na rin ng murang materyales at laser system na makatutulong magbigay ng mas accessible at cost-effective na solusyon, kundi maaari ring magamit nang partikular sa encryption, pag-iimbak ng data, at maraming iba pang larangan kung saan kinakailangan ang pansamantalang pagbabago.
