Små partikler kunne hjælpe med at verificere varer

Omkring 2 til 5 procent af al international handel involverer forfalskede varer, ifølge en FN-rapport fra 2013. Disse ulovlige produkter - som omfatter elektronik, bil- og flydele, lægemidler og fødevarer - kan udgøre sikkerhedsrisici og koste regeringer og private virksomheder hundredvis af milliarder af dollars årligt.

Mange strategier er blevet udviklet for at forsøge at mærke legitime produkter og forhindre ulovlig handel - men disse tags er ofte for nemme at forfalske, er upålidelige eller koster for meget at implementere, ifølge MIT-forskere, der har udviklet et nyt alternativ.

Ledet af MIT kemiingeniørprofessor Patrick Doyle og Lincoln Laboratory teknisk medarbejder Albert Swiston, har forskerne opfundet en ny type bittesmå, smartphone-læsbare partikler, som de mener kunne bruges til at hjælpe med at autentificere valuta, elektroniske dele og luksusvarer, bl.a. andre produkter. Partiklerne, som er usynlige for det blotte øje, indeholder farvede striber af nanokrystaller, der lyser klart, når de oplyses med nær-infrarødt lys.

Illustration af Jose-Luis Olivares / MIT

Disse partikler kan nemt fremstilles og integreres i en række forskellige materialer og kan modstå ekstreme temperaturer, soleksponering og kraftigt slid, siger Doyle, seniorforfatter til et papir, der beskriver partiklerne i 13. april-udgaven af Naturmaterialer . De kunne også være udstyret med sensorer, der kan registrere deres omgivelser - for eksempel at bemærke, om en kølevaccine nogensinde har været udsat for temperaturer for høje eller lave.

Avisens hovedforfattere er MIT postdoc Jiseok Lee og kandidatstuderende Paul Bisso. MIT kandidatstuderende Rathi Srinivas og Jae Jung Kim bidrog også til forskningen.

'En massiv kodningskapacitet'

De nye partikler er omkring 200 mikron lange og omfatter flere striber af forskellige farvede nanokrystaller, kendt som sjældne jordarters opkonverterende nanokrystaller. Disse krystaller er dopet med elementer som ytterbium, gadolinium, erbium og thulium, som udsender synlige farver, når de udsættes for nær-infrarødt lys. Ved at ændre forholdet mellem disse elementer kan forskerne indstille krystallerne til at udsende enhver farve i det synlige spektrum.

For at fremstille partiklerne brugte forskerne stop-flow litografi, en teknik udviklet tidligere af Doyle. Denne tilgang tillader former at blive indprentet på parallelt strømmende strømme af flydende monomerer - kemiske byggesten, der kan danne længere kæder kaldet polymerer. Hvor pulser af ultraviolet lys rammer strømmene, udløses en reaktion, der danner en fast polymerpartikel.

I dette tilfælde indeholder hver polymerstrøm nanokrystaller, der udsender forskellige farver, hvilket gør det muligt for forskerne at danne stribede partikler. Indtil videre har forskerne skabt nanokrystaller i ni forskellige farver, men det burde være muligt at skabe mange flere, siger Doyle.

Ved hjælp af denne procedure kan forskerne generere enorme mængder af unikke tags. Med partikler, der indeholder seks striber, er der 1 million forskellige mulige farvekombinationer; denne kapacitet kan øges eksponentielt ved at mærke produkter med mere end én partikel. For eksempel, hvis forskerne skabte et sæt af 1.000 unikke partikler og derefter mærkede produkter med en hvilken som helst 10 af disse partikler, ville der være 1030 mulige kombinationer - langt mere end nok til at mærke hvert sandkorn på Jorden.

Det er virkelig en enorm kodningskapacitet, siger Bisso, der startede dette projekt, mens han var på det tekniske personale hos Lincoln Lab. Du kan anvende forskellige kombinationer af 10 partikler på produkter fra nu og indtil længe siden vores tid, og du vil aldrig få den samme kombination.

Brugen af ​​disse opkonverterende nanokrystaller er ret smart og yderst muliggørende, siger Jennifer Lewis, en professor i biologisk inspireret ingeniørvidenskab ved Harvard University, som ikke var involveret i forskningen. Der er flere slående træk ved dette arbejde, nemlig den eksponentielt skalerende kodningskapacitet og den ultralave afkodningsfrekvens for falsk alarm.

Alsidige partikler

Mikropartiklerne kan spredes i elektroniske dele eller lægemiddelemballage under fremstillingsprocessen, inkorporeres direkte i 3-D-printede objekter eller printes på valuta, siger forskerne. De kunne også inkorporeres i blæk, som kunstnere kunne bruge til at autentificere deres kunstværker.

Forskerne demonstrerede alsidigheden af ​​deres tilgang ved at bruge to polymerer med radikalt forskellige materialeegenskaber - en hydrofob og en hydrofil - til at fremstille deres partikler. Farveaflæsningerne var de samme med hver, hvilket tyder på, at processen nemt kunne tilpasses til mange typer produkter, som virksomheder måske vil mærke med disse partikler, siger Bisso.

Evnen til at skræddersy taggets materialeegenskaber uden at påvirke kodningsstrategien er virkelig kraftfuld, siger han. Det, der adskiller vores system fra andre teknologier til bekæmpelse af falskmøntneri, er denne evne til hurtigt og billigt at skræddersy materialeegenskaber, så de opfylder behovene i meget forskellige og udfordrende krav, uden at påvirke smartphone-aflæsningen eller kræve et komplet redesign af systemet.

En anden fordel ved disse partikler er, at de kan læses uden en dyr dekoder som dem, der kræves af de fleste andre anti-forfalskningsteknologier. Ved at bruge et smartphone-kamera udstyret med en linse, der tilbyder tyve gange forstørrelse, kunne enhver afbilde partiklerne efter at have skinnet nær-infrarødt lys på dem med en lasermarkør. Forskerne arbejder også på en smartphone-app, der vil behandle billederne yderligere og afsløre den nøjagtige sammensætning af partiklerne.

Forskningen blev finansieret af det amerikanske luftvåben, kontoret for den assisterende forsvarsminister for forskning og teknik, Singapore-MIT Alliance, National Science Foundation, U.S. Army Research Office og National Institutes of Health.

skjule