نحت الماس بالليزر: التغلب على أصعب المواد باستخدام الضوء

الماسالماس هو أصعب مادة في الطبيعة، ولكنه ليس مجرد مجوهرات. يتميز هذا المعدن بموصلية حرارية أعلى بخمس مرات من النحاس، ويتحمل الحرارة والإشعاع الشديدين، وينقل الضوء، ويعزل، بل ويمكن تحويله إلى شبه موصل. ومع ذلك، فإن هذه "القدرات الخارقة" هي التي تجعل الماس "أصعب" مادة في المعالجة - فالأدوات التقليدية إما لا تستطيع قطعه أو تترك شقوقًا فيه. لم يجد البشر حلاً لهذه "الملكة" إلا مع ظهور تقنية الليزر.

لماذا يمكن "قطع" الماس بالليزر؟

تخيل استخدام عدسة مكبرة لتركيز ضوء الشمس لإشعال الورق. مبدأ معالجة الماس بالليزر مشابه، ولكنه أكثر دقة. عندما يُشعّ شعاع ليزر عالي الطاقة الماس، يحدث "تحول ذرات الكربون" المجهري:

1. يتحول الماس إلى جرافيت: تعمل طاقة الليزر على تغيير بنية سطح الماس (sp³) إلى جرافيت أكثر ليونة (sp²)، تمامًا كما يتحول الماس على الفور إلى رصاص قلم رصاص.

٢. يُبخَّر الجرافيت: تتسامى طبقة الجرافيت عند درجات حرارة عالية أو تُحفَر بالأكسجين، تاركةً علامات معالجة دقيقة. ٣. إنجازٌ رئيسي: العيوب. نظريًا، لا يُمكن معالجة الماس المثالي إلا باستخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية (طول موجي أقل من ٢٢٩ نانومتر)، ولكن في الواقع، يحتوي الماس الصناعي دائمًا على عيوب صغيرة (مثل الشوائب وحدود الحبيبات). تشبه هذه العيوب "الثقوب" التي تسمح بامتصاص الضوء الأخضر العادي (٥٣٢ نانومتر) أو ليزر الأشعة تحت الحمراء (١٠٦٤ نانومتر). بل يُمكن للعلماء "توجيه" الليزر لنقش نمط مُحدد على الماس من خلال تنظيم توزيع العيوب.

نوع الليزر: التطور من "الفرن" إلى "سكين الجليد"

تجمع معالجة الليزر بين أنظمة التحكم الرقمي الحاسوبي، والأنظمة البصرية المتطورة، وتحديد موضع قطع العمل بدقة عالية وآليًا، لتشكل مركزًا للبحث والمعالجة الإنتاجية. وعند تطبيقها على معالجة الماس، يمكن تحقيق معالجة عالية الكفاءة والدقة.

١. معالجة ليزر الميكروثانية: يتميز عرض نبضة ليزر الميكروثانية بنطاق واسع، وهو مناسب عادةً للمعالجة الخام. قبل ظهور تقنية قفل الوضع، كانت نبضات الليزر في الغالب ضمن نطاق الميكروثانية والنانوثانية. حاليًا، لا توجد سوى تقارير قليلة حول معالجة الماس مباشرةً باستخدام ليزر الميكروثانية، ويركز معظمها على تطبيقات المعالجة الخلفية.

٢. معالجة ليزر النانو ثانية: تستحوذ ليزرات النانو ثانية حاليًا على حصة سوقية كبيرة، وتتميز بثباتها العالي، وانخفاض تكلفتها، وقصر وقت معالجتها. تُستخدم على نطاق واسع في إنتاج المؤسسات. مع ذلك، تُسبب عملية الاستئصال بالليزر النانو ثانية ضررًا حراريًا للعينة، ويتجلى ذلك جليًا في إنتاج منطقة كبيرة متأثرة بالحرارة.

٣. معالجة ليزر البيكو ثانية: تُعدّ معالجة ليزر البيكو ثانية عمليةً بين الاستئصال الحراري المتوازن بليزر النانو ثانية والمعالجة الباردة بليزر الفيمتوثانية. تُقلّل مدة النبضة بشكل ملحوظ، مما يُقلّل الضرر الناتج عن المنطقة المُتأثرة بالحرارة بشكل كبير.

٤. معالجة ليزر الفيمتوثانية: تتيح تقنية الليزر فائقة السرعة فرصًا لمعالجة الماس بدقة، إلا أن التكلفة العالية وتكاليف صيانة ليزر الفيمتوثانية تحد من تطوير أساليب المعالجة. حاليًا، لا تزال معظم الأبحاث ذات الصلة في مرحلة المختبرات.

خاتمة

من "غير قادر على القطع" إلى "النحت حسب الرغبة"، جعلت تقنية الليزرالماس لم يعد الأمر مجرد "مزهرية" محصورة في المختبر. مع تطور التكنولوجيا، قد نرى في المستقبل: رقائق ألماس تُبدد الحرارة في الهواتف المحمولة، وأجهزة كمبيوتر كمية تستخدم الألماس لتخزين المعلومات، وحتى أجهزة استشعار حيوية من الألماس مزروعة في جسم الإنسان... هذا التناغم بين الضوء والألماس يُغير حياتنا.