Инновационные методы маркировки товаров на основе квантовых точек

Контрафакт и поддельная документация считаются общемировой проблемой, наносящей существенный материальный ущерб и представляющей угрозу безопасности определенных лиц, фирм, социума. За последние 20 лет контрафакт стал распространяться не только на повседневную продукцию, но и на лекарственные, высокотехнологичные товары.

Большую часть современных товаров защищают посредством маркирования. Однако общемировые финансовые потери от поддельных изделий каждый год увеличиваются. Это обусловлено тем, что применяемые методы маркировки без труда дублируют преступники.

Специальные этикетки с физическими недублируемыми функциями (PUF) позволяют решить проблему. PUF представляет собой объект со случайным физическим параметром, который генерируется в недетерминированном процессе. Так как функция случайна, подобный способ нанесения маркировки гарантирует, что выходной код не будет воспроизведен.

Сегодня существенный прогресс в PUF-шифровке был достигнут в сфере борьбы с поддельными товарами. Основное направление работы – формирование случайных компонентов из поверхностей с шероховатостью или дискретных массивов наночастичек.

В данной статье будет рассмотрена имеющая особый дизайн этикетка с AI, которая предназначается для струйной печати. Она сочетает в себе плюсы струйной печати, портативных микроскопов для телефонов, AI.

Такие этикетки производятся при помощи струйной печати с применением квантовых точек для маркировки. Нанесение на поверхность стеклянных, пластиковых, бумажных элементов важно для успешного создания недублируемых этикеток.

Наночастички полимеров на подложках работают аналогично точкам стохастической фиксации на линиях трехфазного контакта чернильных капелек. Когда растворитель испаряется, линии трехфазного контакта фиксируются около точек фиксации. Далее происходит осаждение точек квантов. В результате образуются физически недублируемые узоры из точек.

Что представляют собой квантовые точки в маркировке

Точка квантов представляет собой нанокристалл неорганического полупроводника. В качестве последнего могут применяться следующие материалы:

• кремниевые;

• индиевый фосфид;

• кадмиевый селенид.

«Нано» означает, что объект измеряется в миллиардных долях. Размеры подобных кристаллов равны 2-10 нм. Из-за столь небольшой величины электроны в наночастицах ведут себя иначе, нежели в других полупроводниках.

Энергетический спектр квантовой точки в маркировке характеризуется неоднородностью. В нем предусмотрены отдельные уровни для электрона, дырки. Последней является валентная связь, которую не заполнили. Она носит положительный заряд, который равен электрону. Дырка возникает при разрыве связи между ядром и электроном.

Если обеспечены условия, при которых переносчик заряда в кристалле меняет уровень, наблюдается излучение фотона. Меняя величину частички, возможно контролировать частоту поглощения, длину волны света. Это означает, что, в зависимости от величины частички точки при облучении, она будет иметь различные цвета.

Возможность регулировать длину волны света через величину частички обеспечивает получение из точек квантов стойких элементов. Последние превращают энергию, которую поглощают, в свет (фотостабильные люминофоры). Растворы на базе точек квантов лучше обычных люминофоров по ряду характеристик, которые имеют значение для тех сфер, где нужно точно выполнять перенастройку люминесценции.

Плюсы технологии квантовых точек

Выделяют следующие преимущества квантовых точек:

• фотостабильность, сохранение флуоресценции несколько лет;

• повышенная устойчивость к фотовыцветанию (в 100-1000 раз больше, чем у флуорофоров на базе органики);

• повышенный квантовый выход флуоресценции (до 90%);

• обширный спектр возбуждения, от ультрафиолетового до инфракрасного (200-400 нм);

• повышенная чистота цвета, обеспечиваемая высокими пиками флуоресценции (25-40 нм);

• повышенная стойкость к химической деградации.

Еще одним плюсом, особенно для полиграфической сферы, считается то, что на базе квантовых точек возможно изготавливать золи. Последние представляют собой коллоидные системы, имеющие высокую дисперсию. Маленькие частички распределены в жидкости. Это означает, что из них возможно делать растворы, подходящие для струйной печати.

Как используют технологию квантовых точек

Такую маркировку наносят, чтобы защищать документацию и продукцию от подделывания. Например, можно использовать квантовые точки для маркировки:

• ценные бумаги;

• купюр;

• документов, удостоверяющих личность;

• печатей;

• сертифицирующей документации;

• свидетельств;

• пластиковых карточек;

• товарных знаков.

Система мультицветной кодировки на базе точек квантов используется для нанесения цветовых обозначений на упаковки в таких отраслях:

• пищевое производство;

• фармацевтика;

• производство химии;

• производство ювелирных украшений;

• создание произведений искусства.

Чернила с точками квантов возможно применять для нанесения кодов почти на любые объекты. Для бумаги и иных поглощающих основ применяют чернила на базе воды. Ультрафиолетовые чернила используют для стеклянных, деревянных, композитных, полимерных поверхностей, металлов.

Еще такой способ маркировки применяют в медицине, биологии. На поверхность точек квантов возможно нанести биомаркеры, части ДНК, РНК, которые реагируют на конкретный вид клеток. Их возможно применять в качестве контраста в исследовательской деятельности, при диагностировании раковых заболеваний на начальных этапах.

Применение точек квантов в качестве флуоресцентных маркеров для исследования раковых клеток, судя по последним новостям, является одним из самых перспективных направлений биомедицины. Массово новую технологию не внедряют лишь из-за того, что большинство точек квантов делают из высокотоксичных компонентов. При этом их величина очень маленькая, что позволяет им легко попадать в любые места организма.

Судя по информации из новостей маркировки, квантовые точки применяют и в технике. Пример – QLED, технология производства LCD-экранов с подсветкой на точках квантов. Ее уже опробовали топовые изготовители электроники. Использование данной технологии обеспечивает сокращение потребления электричества экраном, увеличение потока света, если сравнивать с LED-дисплеями, на 25-30%. Также технология позволяет повысить сочность оттенков, четкость передачи цветов, цветовую глубину, гибкость дисплеев, снизить их толщину.

Прототип 1-го QLED-экрана представила фирма «Самсунг» в начале 2011 г. 1-й QLED-монитор был выпущен производителем «Филипс». В нем точки квантов использовали, чтобы получить красный, зеленый оттенки из спектра излучения синих светодиодных элементов. Это оказало помощь в приближении передачи цветов к естественной.

В 2013 г. производитель «Сони» создал QLED-дисплей, который работал по аналогичному принципу. Сейчас данная технология изготовления больших дисплеев непопулярна, так как требует серьезных расходов.

Еще точки квантов применяются в лазерах. Такое лазерное оснащение обладает несколькими плюсами по сравнению с обычными устройствами на полупроводниках. Лазеры на базе квантовых точек характеризуются:

• улучшенной частотной полосой;

• улучшенной интенсивностью шума;

• меньшей чувствительностью к температурным изменениям.

Благодаря тому, что смена состава и величины точки квантов обеспечивает управление активной средой лазера, стало возможно работать на волновых длинах, которые ранее были недоступными. Данная технология широко используется в медицинской сфере. Например, с ее помощью изготовили лазерный скальпель.

На базе точек квантов разработали несколько видов тонкопленочных солнечных батарей. Световые фотоны проникают на фотоэлектрический материал, который содержит точки квантов. Фотоны вызывают образование пары электрон-дырка. Их энергия равняется либо больше минимальной энергии, которая нужна электрону полупроводника для перехода из связанной формы в свободную. Меняя величину нанокристаллов, возможно варьировать «энергетическую производительность».

В 2011 г. ученые из университета Нотр-Дама разработали «солнечную краску» на базе титанового диоксида. Нанеся ее на любой объект, можно было сделать из него солнечную батарею. Такая батарея обладала невысокой производительностью, равной 1%. Однако она имела минимальную себестоимость. Кроме того, ее можно было выпускать в крупных объемах, компенсируя низкий КПД количеством.

Квантовые точки применяются в разных сферах, но чаще всего их используют для обязательной маркировки продукции. Применение точек квантов обеспечивает честную сделку – заказчик получает от поставщика оригинальный товар, а не подделку.