“Esculpindo” diamante a laser: conquistando o material mais duro com luz

DiamanteO diamante é a substância mais dura da natureza, mas não se limita às joias. Este material tem uma condutividade térmica cinco vezes mais rápida que o cobre, suporta calor e radiação extremos, transmite luz, isola e pode até ser transformado em semicondutor. No entanto, são esses "superpoderes" que tornam o diamante o material "mais difícil" de processar – as ferramentas tradicionais não conseguem cortá-lo ou deixam rachaduras. Foi somente com o advento da tecnologia a laser que os humanos finalmente encontraram a chave para conquistar este "rei dos materiais".

Por que o laser pode “cortar” o diamante?

Imagine usar uma lupa para focalizar a luz solar e incendiar papel. O princípio do processamento a laser de diamantes é semelhante, porém mais preciso. Quando um feixe de laser de alta energia irradia o diamante, ocorre uma "metamorfose microscópica do átomo de carbono":

1. O diamante se transforma em grafite: a energia do laser muda a estrutura da superfície do diamante (sp³) para um grafite mais macio (sp²), assim como um diamante instantaneamente “degenera” em uma ponta de lápis.

2. O grafite é "evaporado": a camada de grafite sublima em alta temperatura ou é corroída pelo oxigênio, deixando marcas precisas de processamento. 3. Avanço fundamental: defeitos. Em teoria, um diamante perfeito só pode ser processado por laser ultravioleta (comprimento de onda < 229 nm), mas, na realidade, diamantes artificiais sempre apresentam pequenos defeitos (como impurezas e contornos de grão). Esses defeitos são como "buracos" que permitem a absorção de luz verde comum (532 nm) ou laser infravermelho (1064 nm). Os cientistas podem até mesmo "comandar" o laser para esculpir um padrão específico no diamante, regulando a distribuição dos defeitos.

Tipo de laser: Evolução de “forno” para “faca de gelo”

O processamento a laser combina sistemas de controle numérico computadorizado, sistemas ópticos avançados e posicionamento automatizado e de alta precisão de peças de trabalho para formar um centro de processamento de pesquisa e produção. Aplicado ao processamento de diamantes, pode alcançar um processamento eficiente e de alta precisão.

1. Processamento a laser de microssegundos. A largura do pulso do laser de microssegundos é ampla e geralmente adequada para processamento bruto. Antes do surgimento da tecnologia de bloqueio de modo, os pulsos de laser estavam principalmente na faixa de microssegundos e nanossegundos. Atualmente, existem poucos relatos sobre processamento direto de diamantes com lasers de microssegundos, e a maioria deles se concentra na área de aplicação de processamento back-end.

2. Processamento a laser de nanossegundos. Os lasers de nanossegundos ocupam atualmente uma grande fatia do mercado e apresentam as vantagens de boa estabilidade, baixo custo e curto tempo de processamento. São amplamente utilizados na produção empresarial. No entanto, o processo de ablação a laser de nanossegundos é termicamente destrutivo para a amostra, e a manifestação macroscópica é que o processamento produz uma grande zona afetada pelo calor.

3. Processamento a laser de picossegundos: O processamento a laser de picossegundos está entre a ablação por equilíbrio térmico a laser de nanossegundos e o processamento a frio a laser de femtossegundos. A duração do pulso é significativamente reduzida, o que reduz significativamente os danos causados pela zona afetada pelo calor.

4. Processamento a laser de femtossegundo. A tecnologia de laser ultrarrápido oferece oportunidades para o processamento fino de diamantes, mas o alto custo e o custo de manutenção dos lasers de femtossegundo limitam a promoção de métodos de processamento. Atualmente, a maioria das pesquisas relacionadas ainda está em fase de laboratório.

Conclusão

De “incapaz de cortar” a “esculpir à vontade”, a tecnologia laser tornoudiamante não mais um "vaso" preso no laboratório. Com a iteração da tecnologia, no futuro poderemos ver: chips de diamante dissipando calor em celulares, computadores quânticos usando diamantes para armazenar informações e até biossensores de diamante implantados no corpo humano... Essa dança de luz e diamantes está mudando nossas vidas.