Malzeme Bilimi
Lazer Kazıma ile Veri Depolama
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
İlk kez 1960’da geliştirilen lazerler son birkaç yılda popülerliğini artırdı. Küresel lazer teknolojisi pazarı öngörülüyor büyümesi$35.4 bln 2032 yılına kadar. Bu büyüme tarafından yönlendiriliyor farklı sektörlerde, iletişim, savunma, bilim, güvenlik, veri depolama ve daha fazlası dahil olmak üzere lazer talebinin artmasıyla.
Optik amplifikasyon yoluyla ışık yayan cihazlar olan lazerler, kazıma için yaygın olarak kullanılır. Lazer kazıma, bir ürünün yüzeyine QR kodları, barkodlar, logolar ve seri numaraları gibi işaretler oluşturma sürecidir. Bu işaretler, belirli bir ürünün tüm yaşam döngüsü boyunca kaynağını izlemek için hayati bilgiler içerir, güvenliğini ve dayanıklılığını sağlar. Ayrıca, bu süreç kullanılır ürünler için sanat eseri oluşturmakta.
Lazer kazıma, malzemeyi ısıtan lazer tavlama ve malzemeyi buharlaştıran lazer gravür gibi süreçleri de içeren daha geniş bir lazer işaretleme kategorisine girer. Son derece çok yönlü olduğu için lazer çoğu metali kazıyabilir.
Peki, bu nasıl çalışıyor?
Bir işaret oluşturmak için, lazer ışını yüksek miktarda enerjiyi yoğun bir alana yönlendirir, malzemenin yüzeyini eritir. Yüzey genişleyip soğudukça istenen işaret oluşur. Yüzeyin sadece renk veya doku değiştirildiği diğer süreçlerin aksine, lazer kazıma gerçekten yüzeyi değiştirir, yükseltilmiş veya çökük alan oluşturur, daha pürüzlü bir doku ile.
Böylece, bir malzemenin yüzeyi lazer yardımıyla değiştirilerek farklı kalıcı tasarımlar ve desenler oluşturulur.
Kazıma için kullanılan farklı lazer tipleri arasında fiber, CO2, kristal, diyot lazerler ve diyot pompalı katı hal lazerleri bulunur.
Bir malzeme üzerine işaret oluşturma yöntemi, hız ve geniş özelleştirme gibi faydalar sunar. Ayrıca kimyasal reaksiyonlara neden olmayan, mekanik gerilme yaratmayan ve üstün kalite işaretler üreten temasız bir yöntemdir. Lazer kazıma, toz kaplama gibi aşındırıcı olmayan işlemlere de dayanabilir.
Ayrıca, lazer kazıma kullanılabilir ahşap, deri, plastik, cam, seramik, doğal taş ve yarı iletkenler gibi geniş bir yelpazede kullanılabilir. Neredeyse tüm metallerde de etkilidir; alüminyum, anodize alüminyum, kurşun, magnezyum, çelik, çinko, bakır, pirinç ve titanyum kazınabilir. Temelde, hemen hemen her türlü malzeme lazerle kazınabilir.
Bununla birlikte, lazer kazımanın da sorunları vardır; örneğin makineler için yüksek ön maliyetler. Ayrıca, işaretler aşındırıcı ortamlarda, örneğin kumlama gibi, aşınabilir.
Bu zorluklara rağmen, lazer kazımanın faydaları dezavantajlarından çok daha fazladır ve çoğu işaretleme uygulaması için tavsiye edilir. Lazer kazıma geniş çapta kullanılır otomotiv, elektronik, ambalaj, savunma metal işleme, takı, sanat ve tıbbi cihazlar dahil olmak üzere çok sayıda sektörde çok yönlülüğü, verimliliği ve hassasiyeti nedeniyle kullanılmaktadır.
Lazer kazımanın bir diğer ilginç uygulaması veri depolamadır. Bir on yıldan fazla bir süre önce, Hitachi, bilgi koruma yüz milyonlarca yıl boyunca kuvars cam levhalara lazerle kodlayarak saklamaktan bahsetti. Ancak, teknik büyük miktarda veriyi yönetme sorununu ele almadı.
Birkaç yıl önce, Peter Kazansky, Southampton Üniversitesi Optoelektronik Araştırma Merkezi’nde bir profesör, sakladı 500 terabayt veriyi küçük bir cam disk üzerine lazer kazıma ile.
Polisülfid Yüzeylerinin Düşük Güçlü Lazerlerle Modifikasyonu
Lazer kazımanın geniş faydaları göz önüne alındığında, araştırmacılar ve bilim insanları teknolojiyi geliştirmek ve yeni uygulamalar bulmak için sürekli yollar aramaktadır. Yakın zamanda, Flinders Üniversitesi’nden araştırmacılar, ucuz, ışığa duyarlı kükürt türevi bir polimer keşfettiler düşük güçlü, görünür ışık lazerlerine duyarlıdır.
Genellikle, çok büyük moleküllerden oluşan polimerlerin yüzeylerini değiştirmek için çok yüksek güçte lazerlere ihtiyaç duyulur. Yüksek güçlü lazerler kullanılarak yüksek teknoloji elektronik, biyomedikal ürünler ve veri depolama bileşenleri üretilebilir. Ancak, son keşif sayesinde daha uygun maliyetli ve daha güvenli üretim yöntemleri görülebilir.
Araştırma görevlisi ve ortak yazar Dr Lynn Lisboa:
“Bu keşfin etkisi laboratuvarın çok ötesine uzanıyor ve biyomedikal cihazlar, elektronik, bilgi depolama, mikroakışkanlar ve birçok diğer fonksiyonel malzeme uygulamasında potansiyel kullanım sağlıyor.”
Angewandte Chemie International Edition’da yayımlanan, çalışma polimer yüzeylerini lazer ışığıyla modifiye etmenin çeşitli alanlardaki ilerlemeleri desteklemedeki önemini vurguluyor ve bu tür değişikliklerin genellikle pahalı, yüksek güçlü lazerler gerektirdiğini, bu da tehlikeli radyasyon seviyelerine maruz kalma riskini azaltmak için özel araç ve tesisler gerektiğini belirtiyor. Ayrıca, lazerlerin kolayca değiştirilebilmesi için karmaşık ve pahalı polymer sistemleri de mevcut.
Bu nedenle, düşük seviyelerde radyasyona maruz kaldıklarında kolayca erişilebilen ve reaksiyon gösteren polimerlere ihtiyaç vardır; bu da daha basit, daha güvenli ve daha ekonomik lazer sistemleri anlamına gelir.
Düşük güçlü görünür ve görünmez kızılötesi ışık yayan lazerler kullanarak ucuz ve hızlı değiştirilebilen kükürt kopolimerlerinin keşfi bu ihtiyaçları karşılıyor. Kükürt kopolimerlerini oluşturmak için araştırmacılar elementel kükürt (S) ve ya siklopentadien ya da dikisiklopentadien kullandılar.
Ardından, 532, 638 ve 786 nm dalga boylarına sahip düşük güçlü dalga lazerleri kullanarak ekip, polimer yüzeylerini modifiye edebildi. Bu modifikasyonlar ablasyon yoluyla kazıma veya kontrollü şişme içeriyor.
Çalışma, polimer sistemlerinin lazerle modifikasyonu ve kolay sentezini iki uygulamada kullandı — silinebilir bilgi depolama ve doğrudan lazer litografi. Bu polimerlerin yüksek kükürt içeriği, çeşitli kimyasal, fiziksel ve optik özellikler sunarak enerji depolama, termal görüntüleme optiği ve metal bağlama gibi çeşitli uygulamalara olanak tanıyor.
Ardından, S−S bağları kikırılabilir ve yeniden oluşabilir, bu da onarım ve kullanım imkanı sağlar. S−S bağlarının kükürt kopolimerlerindeki özellikleri, çalışmanın keşiflerine yol açtı. Özellikle, araştırmacılar şunu belirttiler ki kopolimerin yüzeyi gözle görülür şekilde değişti 690 nm, 1.10 mW diyot lazerine 1 saniyeden az bir süre maruz kaldıktan hemen sonra. Çalışma şöyle belirtti:
“Düşük lazer gücü ve kısa maruz kalma süreleri göz önüne alındığında, bu hızlı polimer modifikasyonu şaşırtıcıydı.”
Lazer Modifikasyonları Silinebilir Bilgi Depolamayı Sağlıyor
Çalışmanın yayımlandığı kimya dergisi, ünlü Mona Lisa kazısının lazerle kazınmış bir versiyonunu ve bir mikro braille baskısını da içeriyordu; bu, bir iğnenin yuvarlak ucundan bile daha küçüktü.
Avustralya Araştırma Konseyi, Flinders Mikroskopi ve Mikroadanaliz, ANFF-SA ve Microscopy Australia tarafından finanse edilen çalışma, daha sürdürülebilir malzemelerin kullanılmasına yol açabilecek bir keşfi vurguluyor. Özellikle, çalışma düşük maliyetli endüstriyel yan ürün olan elementel kükürtten yapılmış bir polimer kullandı. Ayrıca, bu yöntem pahalı, özel ekipman ihtiyacını azaltabilir. Ancak, yüksek güçlü lazerlerin tehlikeli radyasyon riski taşıdığını unutmamak gerekir.
Keşif yapıldı iki yıl önce Chalker Laboratuvarı’nda Flinders Üniversitesi Nano Ölçekli Bilim ve Mühendislik Enstitüsü’nden doktora adayı Samuel Tonkin ve Kimya Profesörü Justin Chalke tarafından icat edilen bir polimerin rutin analizi sırasında.
Yeni polimer bulundu lazer ışığı yüzeyine dokunduğunda hemen modifiye edildiğini. Bu, Flinders Üniversitesi araştırmacısı ve çalışma ortak yazarı Dr Christopher Gibson’in söylediğine göre, daha önce başka yaygın polimerlerde gözlemlenmemiş “alışılmadık bir yanıt” idi. Gibson şöyle dedi:
“Bu fenomenin bir dizi uygulamada faydalı olabileceğini hemen fark ettik, bu yüzden keşif etrafında bir araştırma projesi oluşturduk.”
Bu heyecan verici gelişme olarak nitelendiren Abigail Mann, Flinders Bilim ve Mühendislik Koleji doktora adayı, kükürt bazlı malzemeler için mikrometre ve daha küçük ölçeklerde yapılar üretmek için yeni teknikler kullanarak “laboratuvarımızda ve ötesinde geniş bir gerçek dünya uygulama yelpazesine ilham vermeyi umuyoruz” dedi.
Bu keşif, polimer yüzeyinde hassas desenler oluşturmanın yeni bir yolunu sağlıyor. Böyle bir yetenek, desenli yüzeyli biyomedikal cihazlar, veri depolama için polimerlerin yeni yöntemleri ve mikroakışkan, sensör ve elektronik için nanoskaleli cihazların üretiminde alternatif yaklaşımlar gibi potansiyel uygulamalara sahiptir.
Silinebilen bilgi depolama potansiyelini pratik bir gösterimde, çalışma Braille’de bir mesaj kodlama yeteneğini sergiledi. Bu, lazer kullanarak malzeme üzerine yükseltilmiş noktalar oluşturularak, dinamik S−S bağları ve vitrimer benzeri özelliklerden yararlanarak mesajın yazılıp silinmesini sağladı.
“gizli mesaj” ifadesini Braille’de oluşturmak için araştırmacılar, daha düşük lazer gücü ayarı (638 nm, 2.4 mW) kullandılar. Yükseltilmiş noktalar, 3.6 μm±0.2 μm yüksekliğinde olup, polimer yüzeyine sadece 1.3 saniye lazerle maruz bırakılarak oluştu.
Ardından, ekip daha yüksek bir güç ayarı (638 nm, 5.4 mW) kullanarak köşelerde ablasyon ve malzeme çıkarımı yoluyla çukurlar oluşturdu. Buradaki lazer maruziyeti de 1.3 saniyeydi.
Çalışma, termal tedavinin kaldırılmış noktaları 160 °C’de 5 saat fırında bekletildiğinde sildiğini buldu. Ablasyonla oluşan çukurlar ise polimerin kalıcı olarak kükürt kaybetmesi nedeniyle sağlam kaldı.
Çıkarılabilir bilgi kodlama süreci, çalışma tarafından “foto-reaktif malzemelerde yeni bir yön oluşturur, malzeme sentezinin basitliği ve düşük güçlü lazerlerin kullanımı avantajlarıyla” tanımlandı.
Çalışma ayrıca doğrudan lazer litografi kullanarak karmaşık bir mikroskala görüntünün oluşturulmasını gösterdi. 7 % güçte (1.3 mW) çalışan 532 nm lazerle Flinders araştırma ekibi “Micro Lisa”nın daha ince hatlarını üretti. Mikrogörüntü yaklaşık dokuz μm genişliğinde ve iki μm derinliğindeydi. Mikron veya mikrometre, µm olarak temsil edilen, bir metrenin milyonda biri eşittir.
3.0 mW daha yüksek güçte bir lazer kullanarak ekip, 23 μm genişliğinde ve beş μm derinliğinde kare çerçeve için daha geniş ve daha derin hatlar oluşturdu. Bu doğrudan lazer litografi, ekip tarafından polimer alt tabakalarının düşük maliyeti ve lazer sisteminin basitliği açısından ayırt edici olarak nitelendirildi.
Lazerlerin modern bilgisayarları nasıl dönüştürebileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.
Sonuç
Bu çalışmada gördüğümüz gibi, düşük güçlü görünür ve kızılötesi lazer ışığı kullanarak araştırmacılar kopolimerleri modifiye edebildiler. Modifikasyonlar çok hızlı gerçekleşti; maruz kalma süreleri milisaniyelerden, bir saniyeye kadar çok kısa.
Dalga boyunu, çapını ve ışın gücünü kontrol ederek araştırmacılar polimer yüzeyinde yükseltilmiş noktalar, delikler, çukurlar, kanallar ve sivri uçlar oluşturabildi. Bu çok yönlülük, karmaşık desenlerin bile oluşturulabileceği anlamına gelir ve işlevselliği artırabilir, belirli uygulamaları karşılayabilir.
Ama bu hepsi değil. Sadece örnek ısıtarak, araştırmacılar polimer şişme modifikasyonlarını daha da silebildiler. Bu yetenekler, ekip tarafından karmaşık görüntülerin doğrudan lazer litografisi ve silinebilir bilgi kodlamasıyla gösterildiği gibi önemlidir.
Bu çalışma sadece basit bir yöntem ve düşük maliyetli malzemeler ve lazer sistemleri sunmakla kalmadı, aynı zamanda şifreleme, veri depolama ve geçici modifikasyonların gerektiği birçok alanda daha erişilebilir ve maliyet etkin çözümler sağlayabilir.
