“Intaglio” laser del diamante: conquistare il materiale più duro con la luce

DiamanteIl diamante è la sostanza più dura in natura, ma non è solo un gioiello. Questo materiale ha una conduttività termica cinque volte superiore a quella del rame, può resistere a calore e radiazioni estreme, può trasmettere la luce, isolare e può persino essere trasformato in un semiconduttore. Tuttavia, sono questi "superpoteri" che rendono il diamante il materiale "più difficile" da lavorare: gli strumenti tradizionali non riescono a tagliarlo o lasciano crepe. Solo con l'avvento della tecnologia laser l'uomo ha finalmente trovato la chiave per conquistare questo "re dei materiali".

Perché il laser può “tagliare” i diamanti?

Immagina di usare una lente d'ingrandimento per focalizzare la luce solare e incendiare la carta. Il principio della lavorazione laser del diamante è simile, ma più preciso. Quando un raggio laser ad alta energia irradia il diamante, si verifica una microscopica "metamorfosi dell'atomo di carbonio":

1. Il diamante si trasforma in grafite: l'energia laser trasforma la struttura superficiale del diamante (sp³) in grafite più morbida (sp²), proprio come un diamante si "degenera" all'istante in una mina di matita.

2. La grafite viene "evaporata": lo strato di grafite sublima ad alta temperatura o viene inciso dall'ossigeno, lasciando segni di lavorazione precisi. 3. Svolta fondamentale: i difetti In teoria, un diamante perfetto può essere lavorato solo con un laser ultravioletto (lunghezza d'onda <229 nm), ma in realtà i diamanti artificiali presentano sempre piccoli difetti (come impurità e bordi di grano). Questi difetti sono come "buchi" che consentono l'assorbimento della normale luce verde (532 nm) o del laser infrarosso (1064 nm). Gli scienziati possono persino "comandare" al laser di incidere un motivo specifico sul diamante regolando la distribuzione dei difetti.

Tipo di laser: evoluzione da “fornace” a “coltello di ghiaccio”

La lavorazione laser combina sistemi di controllo numerico computerizzato, sistemi ottici avanzati e posizionamento automatizzato e ad alta precisione del pezzo, per creare un centro di ricerca e produzione. Applicata alla lavorazione dei diamanti, consente di ottenere lavorazioni efficienti e di alta precisione.

1. Lavorazione laser a microsecondi La larghezza d'impulso del laser a microsecondi è ampia e solitamente adatta alla lavorazione grezza. Prima dell'avvento della tecnologia di mode locking, gli impulsi laser erano per lo più nell'ordine dei microsecondi e dei nanosecondi. Attualmente, sono pochi i report sulla lavorazione diretta dei diamanti con laser a microsecondi, e la maggior parte di essi si concentra sul campo applicativo dell'elaborazione back-end.

2. Elaborazione laser a nanosecondi. I laser a nanosecondi occupano attualmente un'ampia quota di mercato e presentano i vantaggi di una buona stabilità, bassi costi e tempi di elaborazione brevi. Sono ampiamente utilizzati nella produzione aziendale. Tuttavia, il processo di ablazione laser a nanosecondi è termicamente distruttivo per il campione e la manifestazione macroscopica è che l'elaborazione produce un'ampia zona termicamente alterata.

3. Elaborazione laser a picosecondi L'elaborazione laser a picosecondi è una via di mezzo tra l'ablazione laser a nanosecondi con equilibrio termico e l'elaborazione a freddo laser a femtosecondi. La durata dell'impulso è significativamente ridotta, il che riduce notevolmente i danni causati dalla zona termicamente alterata.

4. Lavorazione laser a femtosecondi La tecnologia laser ultraveloce offre opportunità per la lavorazione fine dei diamanti, ma gli elevati costi e i costi di manutenzione dei laser a femtosecondi limitano la promozione di metodi di lavorazione. Attualmente, la maggior parte della ricerca correlata rimane in fase di laboratorio.

Conclusione

Da "impossibile tagliare" a "intagliare a piacimento", la tecnologia laser ha resodiamante Non più un "vaso" intrappolato in laboratorio. Con l'evoluzione della tecnologia, in futuro potremmo vedere: chip di diamante che dissipano il calore nei telefoni cellulari, computer quantistici che utilizzano diamanti per archiviare informazioni e persino biosensori di diamante impiantati nel corpo umano... Questa danza di luce e diamanti sta cambiando le nostre vite.