Små partiklar kan hjälpa till att verifiera varor

Cirka 2 till 5 procent av all internationell handel involverar förfalskade varor, enligt en FN-rapport från 2013. Dessa olagliga produkter – som inkluderar elektronik, fordons- och flygplansdelar, läkemedel och livsmedel – kan utgöra säkerhetsrisker och kosta regeringar och privata företag hundratals miljarder dollar årligen.

Många strategier har utvecklats för att försöka märka legitima produkter och förhindra illegal handel - men dessa taggar är ofta för lätta att förfalska, är opålitliga eller kostar för mycket att implementera, enligt MIT-forskare som har utvecklat ett nytt alternativ.

Ledda av MIT kemiteknikprofessor Patrick Doyle och Lincoln Laboratory tekniska personal Albert Swiston, har forskarna uppfunnit en ny typ av liten, smartphone-läsbar partikel som de tror skulle kunna användas för att hjälpa till att autentisera valuta, elektroniska delar och lyxvaror, bland annat andra produkter. Partiklarna, som är osynliga för blotta ögat, innehåller färgade ränder av nanokristaller som lyser starkt när de lyser upp med nära-infrarött ljus.

Illustration av Jose-Luis Olivares / MIT

Dessa partiklar kan lätt tillverkas och integreras i en mängd olika material och tål extrema temperaturer, solexponering och hårt slitage, säger Doyle, seniorförfattare till en artikel som beskrev partiklarna i numret av den 13 april av Naturmaterial . De kan också vara utrustade med sensorer som kan registrera deras miljöer - och notera till exempel om ett kylt vaccin någonsin har utsatts för temperaturer för höga eller låga.

Tidningens huvudförfattare är MIT postdoc Jiseok Lee och doktorand Paul Bisso. MIT doktorander Rathi Srinivas och Jae Jung Kim bidrog också till forskningen.

'En enorm kodningskapacitet'

De nya partiklarna är cirka 200 mikron långa och inkluderar flera ränder av olika färgade nanokristaller, kända som sällsynta jordartsmetaller uppkonverterande nanokristaller. Dessa kristaller är dopade med element som ytterbium, gadolinium, erbium och thulium, som avger synliga färger när de utsätts för nära-infrarött ljus. Genom att ändra förhållandet mellan dessa element kan forskarna ställa in kristallerna för att avge vilken färg som helst i det synliga spektrumet.

För att tillverka partiklarna använde forskarna stop-flow litografi, en teknik som tidigare utvecklats av Doyle. Detta tillvägagångssätt gör att former kan tryckas på parallellt strömmande strömmar av flytande monomerer - kemiska byggstenar som kan bilda längre kedjor som kallas polymerer. Varhelst pulser av ultraviolett ljus träffar strömmarna, utlöses en reaktion som bildar en fast polymerpartikel.

I det här fallet innehåller varje polymerström nanokristaller som avger olika färger, vilket gör att forskarna kan bilda randiga partiklar. Hittills har forskarna skapat nanokristaller i nio olika färger, men det borde gå att skapa många fler, säger Doyle.

Med denna procedur kan forskarna generera stora mängder unika taggar. Med partiklar som innehåller sex ränder finns det 1 miljon olika möjliga färgkombinationer; denna kapacitet kan ökas exponentiellt genom att märka produkter med mer än en partikel. Till exempel, om forskarna skapade en uppsättning av 1 000 unika partiklar och sedan märkte produkter med 10 av dessa partiklar, skulle det finnas 1 030 möjliga kombinationer - mycket mer än tillräckligt för att märka varje sandkorn på jorden.

Det är verkligen en enorm kodningskapacitet, säger Bisso, som startade det här projektet medan han var på den tekniska personalen på Lincoln Lab. Du kan applicera olika kombinationer av 10 partiklar på produkter från och med nu till långt förbi vår tid och du kommer aldrig att få samma kombination.

Användningen av dessa uppkonverterande nanokristaller är ganska smart och mycket möjliggörande, säger Jennifer Lewis, professor i biologiskt inspirerad teknik vid Harvard University som inte var involverad i forskningen. Det finns flera slående egenskaper hos detta arbete, nämligen den exponentiellt skalande kodningskapaciteten och den ultralåga avkodningsfrekvensen för falsklarm.

Mångsidiga partiklar

Mikropartiklarna kan spridas i elektroniska delar eller läkemedelsförpackningar under tillverkningsprocessen, införlivas direkt i 3-D-tryckta föremål eller skrivas ut på valuta, säger forskarna. De kan också infogas i bläck som konstnärer kan använda för att autentisera sina konstverk.

Forskarna visade mångsidigheten i deras tillvägagångssätt genom att använda två polymerer med radikalt olika materialegenskaper - en hydrofob och en hydrofil - för att göra sina partiklar. Färgavläsningarna var desamma för varje, vilket tyder på att processen lätt kunde anpassas till många typer av produkter som företag kanske vill märka med dessa partiklar, säger Bisso.

Möjligheten att skräddarsy taggens materialegenskaper utan att påverka kodningsstrategin är riktigt kraftfull, säger han. Det som skiljer vårt system från andra tekniker mot varumärkesförfalskning är denna förmåga att snabbt och billigt skräddarsy materialegenskaper för att möta behoven av mycket olika och utmanande krav, utan att påverka smarttelefonavläsningen eller kräva en fullständig omdesign av systemet.

En annan fördel med dessa partiklar är att de kan läsas utan en dyr avkodare som de som krävs av de flesta andra anti-förfalskningstekniker. Med hjälp av en smartphonekamera utrustad med en lins som erbjuder tjugofaldig förstoring, kunde vem som helst avbilda partiklarna efter att ha lyst nära-infrarött ljus på dem med en laserpekare. Forskarna arbetar också med en smartphone-app som skulle bearbeta bilderna ytterligare och avslöja den exakta sammansättningen av partiklarna.

Forskningen finansierades av det amerikanska flygvapnet, kontoret för assisterande försvarsminister för forskning och teknik, Singapore-MIT Alliance, National Science Foundation, U.S. Army Research Office och National Institutes of Health.

Dölj