Małe cząsteczki mogą pomóc w weryfikacji towarów

Według raportu ONZ z 2013 r. około 2 do 5 procent całego handlu międzynarodowego dotyczy towarów podrabianych. Te nielegalne produkty — w tym elektronikę, części samochodowe i lotnicze, farmaceutyki i żywność — mogą stwarzać zagrożenie dla bezpieczeństwa i kosztować rządy i prywatne firmy setki miliardów dolarów rocznie.

Opracowano wiele strategii, aby próbować oznaczać legalne produkty i zapobiegać nielegalnemu handlowi – ale według naukowców z MIT, którzy opracowali nową alternatywę, te tagi są często zbyt łatwe do podrobienia, są niewiarygodne lub zbyt drogie do wdrożenia.

Naukowcy, pracujący pod kierunkiem profesora inżynierii chemicznej z MIT Patricka Doyle'a i członka personelu technicznego Lincoln Laboratory, Alberta Swistona, wynaleźli nowy rodzaj maleńkich, czytelnych dla smartfonów cząstek, które, jak sądzą, można zastosować, aby pomóc w uwierzytelnianiu waluty, części elektronicznych i dóbr luksusowych, m.in. inne produkty. Cząsteczki, które są niewidoczne gołym okiem, zawierają kolorowe paski nanokryształów, które jasno świecą w świetle bliskiej podczerwieni.

Ilustracja: Jose-Luis Olivares / MIT

Cząsteczki te można łatwo wytwarzać i integrować z różnymi materiałami i są one odporne na ekstremalne temperatury, ekspozycję na słońce i duże zużycie, mówi Doyle, starszy autor artykułu opisującego cząstki w numerze z 13 kwietnia. Materiały przyrodnicze . Mogłyby być również wyposażone w czujniki, które mogą rejestrować ich otoczenie — odnotowując na przykład, czy schłodzona szczepionka była kiedykolwiek narażona na zbyt wysokie lub niskie temperatury.

Głównymi autorami artykułu są podoktorzy MIT Jiseok Lee i doktorant Paul Bisso. W badaniach wnieśli również udział absolwenci MIT, Rathi Srinivas i Jae Jung Kim.

„Ogromna zdolność kodowania”

Nowe cząstki mają długość około 200 mikronów i zawierają kilka pasków różnokolorowych nanokryształów, znanych jako nanokryształy konwertujące w górę ziem rzadkich. Kryształy te są domieszkowane pierwiastkami takimi jak iterb, gadolin, erb i tul, które emitują widoczne kolory pod wpływem światła bliskiej podczerwieni. Zmieniając proporcje tych pierwiastków, naukowcy mogą dostroić kryształy, aby emitowały dowolny kolor w widmie widzialnym.

Do wytworzenia cząstek naukowcy wykorzystali litografię stop-flow, technikę opracowaną wcześniej przez Doyle'a. Takie podejście umożliwia odciskanie kształtów na równolegle płynących strumieniach ciekłych monomerów — chemicznych elementów budulcowych, które mogą tworzyć dłuższe łańcuchy zwane polimerami. Wszędzie tam, gdzie impulsy światła ultrafioletowego uderzają w strumienie, rozpoczyna się reakcja, która tworzy stałą cząstkę polimeru.

W tym przypadku każdy strumień polimeru zawiera nanokryształy, które emitują różne kolory, umożliwiając naukowcom formowanie cząstek w paski. Do tej pory naukowcy stworzyli nanokryształy w dziewięciu różnych kolorach, ale powinno być możliwe stworzenie ich znacznie więcej, mówi Doyle.

Korzystając z tej procedury, naukowcy mogą generować ogromne ilości unikalnych znaczników. Dzięki drobinkom, które zawierają sześć pasków, istnieje milion różnych możliwych kombinacji kolorów; ta zdolność może być wykładniczo zwiększona poprzez znakowanie produktów więcej niż jedną cząsteczką. Na przykład, gdyby naukowcy stworzyli zestaw 1000 unikalnych cząstek, a następnie oznaczyli produkty dowolnymi 10 z tych cząstek, byłoby 1030 możliwych kombinacji – znacznie więcej niż wystarczająco, aby oznaczyć każde ziarnko piasku na Ziemi.

To naprawdę ogromna zdolność kodowania, mówi Bisso, który rozpoczął ten projekt, gdy był personelem technicznym w Lincoln Lab. Możesz nakładać różne kombinacje 10 cząsteczek na produkty od teraz do dawno minionych czasów i nigdy nie uzyskasz tej samej kombinacji.

Wykorzystanie tych konwertujących w górę nanokryształów jest dość sprytne i wysoce umożliwia, mówi Jennifer Lewis, profesor inżynierii inspirowanej biologią na Uniwersytecie Harvarda, która nie była zaangażowana w badania. Istnieje kilka uderzających cech tej pracy, a mianowicie wykładnicze skalowanie możliwości kodowania i bardzo niski wskaźnik fałszywych alarmów dekodowania.

Wszechstronne cząsteczki

Naukowcy twierdzą, że mikrocząsteczki mogą zostać rozproszone w częściach elektronicznych lub opakowaniach leków podczas procesu produkcyjnego, włączone bezpośrednio do obiektów drukowanych w 3D lub nadrukowane na pieniądzach. Można je również włączyć do atramentu, którego artyści mogliby użyć do uwierzytelnienia swoich dzieł sztuki.

Naukowcy wykazali wszechstronność swojego podejścia, wykorzystując dwa polimery o radykalnie różnych właściwościach materiałowych — jeden hydrofobowy i jeden hydrofilowy — do wytworzenia swoich cząstek. Odczyty kolorów były takie same dla każdego z nich, co sugeruje, że proces można łatwo dostosować do wielu rodzajów produktów, które firmy mogą chcieć oznaczać tymi cząsteczkami, mówi Bisso.

Mówi, że możliwość dostosowania właściwości materiału znacznika bez wpływu na strategię kodowania jest naprawdę potężna. Tym, co odróżnia nasz system od innych technologii przeciwdziałających podrabianiu, jest możliwość szybkiego i niedrogiego dostosowywania właściwości materiałów do potrzeb bardzo różnych i trudnych wymagań, bez wpływu na odczyt smartfona lub konieczności całkowitego przeprojektowania systemu.

Kolejną zaletą tych cząstek jest to, że można je odczytać bez drogiego dekodera, takiego jak te wymagane przez większość innych technologii przeciwdziałających fałszerstwom. Używając aparatu smartfona wyposażonego w obiektyw oferujący dwudziestokrotne powiększenie, każdy mógł sfotografować cząsteczki po skierowaniu na nie światła bliskiej podczerwieni za pomocą wskaźnika laserowego. Naukowcy pracują również nad aplikacją na smartfony, która będzie dalej przetwarzać obrazy i ujawniać dokładny skład cząstek.

Badania zostały sfinansowane przez Siły Powietrzne USA, Biuro Asystenta Sekretarza Obrony ds. Badań i Inżynierii, Sojusz Singapur-MIT, Narodową Fundację Naukową, Biuro Badawcze Armii USA oraz Narodowy Instytut Zdrowia.

ukryć