Санкт-Петербургский университетHi-Tech
Под охраной невидимых меток
Защищать документы и товары от фальсификации помогает маркировка. Для ее нанесения исследователи СПбГУ разработали инновационный наномаркер, который позволяет оставлять невидимые метки.
Продажа поддельных изделий — один из способов, которым обогащаются мошенники. Они торгуют разбавленным молоком, под видом известных лекарственных средств предлагают «пустышки», в парфюм добавляют некачественные и аллергенные ингредиенты, а в ювелирные украшения вместо драгоценных металлов — дешевые сплавы.
Ежегодно на рынке товаров находят огромное количество подделок. По данным Федеральной таможенной службы России, на одних только таможенных границах в январе — сентябре 2021 года было выявлено почти 5 миллионов единиц фальсифицированной продукции. За аналогичный период 2022 года сотрудники таможни зафиксировали более 7 миллионов единиц контрафакта, а с января по сентябрь 2023 года — около 3 миллионов единиц.
Чтобы не допустить поступления подобных товаров в продажу, специалисты постоянно ищут новые и совершенствуют старые способы защиты. В частности, развивается система маркировки документов и товаров специальными метками, которые позволяют отличать настоящие изделия от подделок.
«Метки бывают двух видов, — рассказывает Алина Анвяровна Маньшина, профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения). — Во-первых, это могут быть уже привычные нам видимые знаки, наносимые на поверхность объектов: штрихкоды, QR-коды, рисунки, графические сложные формы — голограммы. Во-вторых, разработано большое количество скрытых систем: меток, которые нельзя увидеть невооруженным глазом и которые располагаются в неизвестных сторонним наблюдателям местах на товарах и документах».
Скрытые защитные знаки более надежны по сравнению с видимыми, так как их сложнее фальсифицировать. Особенно популярными в настоящее время считаются невидимые метки на основе наноразмерных объектов (наномаркеров), поскольку для их обнаружения и создания нужно обладать высоким уровнем технологий, что зачастую не могут позволить себе злоумышленники.
Незаметные защитники
По словам Алины Маньшиной, в качестве наномаркеров чаще всего используют полупроводниковые квантовые и полимерные точки. «Благодаря наноразмерности они обладают уникальными оптическими свойствами, — объясняет исследовательница. — Длина волны и, соответственно, цвет их люминесценции зависят от химического состава и размера самих точек. Это значит, что, синтезируя точки с разными химическими и размерными характеристиками, можно получать или цветные метки, или такие, которые при оптическом возбуждении (например, под воздействием лазера) светятся в определенном невидимом спектральном диапазоне — инфракрасном или ультрафиолетовом». Из этих нанообъектов на изделиях, нуждающихся в защите, формируют уникальные изображения-маркировки.
Также распространены невидимые метки из наночастиц, созданные с помощью случайного физического процесса. Яркий пример такого явления в бытовой жизни — падение стеклянного стакана. При столкновении с полом он разбивается на произвольное число осколков разных форм и размеров. При этом повторить результат падения не получится никогда: следующие стаканы будут разлетаться на иное количество частей, которые к тому же примут другой вид. Такая невоспроизводимость и непредсказуемость результата, а также невозможность его контролировать — особенность случайного процесса.
«Эту особенность человечество и придумало использовать в качестве принципа создания маркировки, — говорит Алина Маньшина. — В рамках такого подхода, например, на объект направляют струю с наночастицами, которые случайно распределяются по поверхности и тем самым формируют уникальный защитный знак. Повторить метку невозможно, а потому злоумышленники не могут подделать товары с подобной маркировкой».
При этом и у защитных знаков из полимерных и квантовых точек, и у случайно сформированных меток существуют недостатки. Так, у первых не всегда стабильно проявляются люминесцентные свойства. Наномаркеры из полимеров сильно зависят от окружающей среды и в изменившихся условиях могут светиться на другой длине волны. Отдельные квантовые точки на поверхности объектов способны превращаться в единую структуру — твердую фазу, в результате чего они перестают быть наночастицами и, как следствие, нарушается их свечение.
«В свою очередь, в метки, созданные по принципу случайного процесса, сложно зашифровывать дополнительную информацию, например данные об изделии, — добавляет Алина Маньшина. — Подход предполагает, что мы каждый раз получаем рисунок, который нельзя воспроизвести. Поэтому невозможно указать на товарах одной и той же категории одинаковую серию, которая в защитной метке должна шифроваться идентичными элементами».
Бесконечное множество меток
Защитный наномаркер, созданный учеными СПбГУ, лишен этих недостатков. Разработка предполагает маркирование изделий особыми наночастицами — нанокристаллами оксидов, в структуру (кристаллические решетки) которых внедрены редкоземельные ионы. Эти объекты исследователям удалось синтезировать в ходе предыдущих научных проектов.
«Мы научились получать наночастицы с четкими люминесцентными свойствами и с возможностью управлять ими. Это удалось за счет подбора кристаллических решеток, которые обеспечивают стабильность частиц, а также высокую интенсивность люминесценции благодаря включению редкоземельных ионов. Их оптические свойства не зависят от внешних условий и за счет этого очень стабильны», — объясняет Алина Маньшина.
Исследовательница добавляет, что наночастицы являются устойчивыми к химическому воздействию и повышенным температурам. Плавиться и терять свойства они начинают только при 1500–2000 ℃, что открывает возможность их использования для защиты совершенно разных изделий, в том числе эксплуатируемых в экстремальных условиях.
«Чтобы успешно применять наночастицы в качестве защитного маркера, мы дополнительно предложили в каждую кристаллическую решетку помещать не один редкоземельный ион, а, например, три, — отмечает Алина Маньшина. — Дело в том, что редкоземельные ионы обладают специфическим свечением: они испускают сразу несколько полос люминесцентного излучения, каждая из которых находится в индивидуальной области светового спектра».
За счет этого в одной наночастице с тремя ионами может оказаться девять отличающихся спектральных полос — по несколько на каждый редкоземельный элемент. Во-первых, это обеспечивает богатую и сложную для копирования люминесценцию: не зная состава наночастиц, злоумышленник не сможет воспроизвести спектр метки.
Во-вторых, подобранная учеными структура позволяет создавать на основе одной наночастицы несколько уникальных защитных меток: в зависимости от того, какой из ионов станут возбуждать для считывания кода, частица будет светиться по-разному. Это произойдет потому, что обмен энергией между редкоземельными элементами в каждом случае будет отличаться и поразному влиять на спектр.
Еще больше вариантов меток удастся получить, изменяя кристаллические решетки, а также виды и концентрацию ионов в них. «Математические расчеты показывают, что с помощью нашего защитного наномаркера получится произвести порядка 1025 вариантов меток. Это даже больше, чем видимых звезд во Вселенной, число которых оценивается в 1022», — подчеркивает Алина Маньшина.
Не удалить и не стереть
Еще одно преимущество разработки ученых СПбГУ — возможность зашифровывать в метке информацию. Для этого производителю, который захочет воспользоваться наномаркером, понадобится создать базу данных, в которой будут отражены характеристики каждой нанометки: состав, способ возбуждения и интенсивность ее люминесценции, спектральные особенности, а также конкретное изделие, для которого предназначен защитный знак.
«В метку в том числе можно зашифровать характеристики, объединяющие несколько изделий, — добавляет Алина Маньшина. — Скажем, если сотрудники фармацевтического предприятия планируют указывать на лекарственных препаратах, к какой фармакологической группе те относятся, они могут присвоить каждой категории препаратов обязательный ион и вносить его только в метки для соответствующих лекарств. Допустим, в защитные знаки всех антибиотиков — ион эрбий, в метки для анальгетиков — ион неодим». При этом два других иона смогут шифровать дополнительную информацию, в частности форму препарата и его наименование.
Маркировать изделия производителям также будет несложно. Исследователи СПбГУ разработали для нанометок легко реализуемый способ нанесения с помощью лазера и успешно опробовали его на металлических объектах. «Для создания метки на металл наносится порошок или паста из наночастиц, на которые направляется лазерное излучение. Под воздействием лазера поверхность плавится, а при последующем остывании „захватывает“ нанокристаллы, в результате чего они впечатываются в металл», — рассказывает Алина Маньшина.
Исследовательница отмечает, что нанесенная таким образом метка имеет дополнительную защиту от злоумышленников. Мошенники не могут незаметно убрать маркировку с оригинального изделия. Знак можно удалить лишь вместе с поверхностью товара, что сделает очевидным незаконное обращение с ним.
Наномаркер ученых СПбГУ подходит не только для металлических изделий. По словам Алины Маньшиной, уже сейчас его можно использовать для маркировки стеклянных и пластиковых товаров, а также объектов в упаковке из этих материалов. В частности, разработка подойдет для защиты лекарственных препаратов в блистерах. Способ нанесения меток на подобные изделия будет аналогичным, потребуется лишь подобрать интенсивность лазерного воздействия для каждого конкретного материала. В перспективе наномаркер также будет эффективен для защиты денежных купюр и ценных бумаг от подделки.
Авторы разработки:
Дарья Владимировна Мамонова, руководитель научного проекта, кандидат химических наук, с 2018 по 2021 год — постдок СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения);
Михаил Дмитриевич Михайлов, доктор химических наук, главный научный сотрудник акционерного общества «Научно-производственное объединение „Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова“»;
Алина Анвяровна Маньшина, доктор химических наук, профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения);
Илья Евгеньевич Колесников, доктор физико-математических наук, специалист СПбГУ (ресурсный центр «Оптические и лазерные методы исследования вещества»);
Алексей Андреевич Калиничев, инженер СПбГУ (ресурсный центр «Оптические и лазерные методы исследования вещества»).
В России обязательной маркировке подлежат
Молочные продукты, упакованная вода, пиво и слабоалкогольные напитки, безалкогольные напитки, икра осетровых и лососевых рыб, обувь, одежда и другие товары легкой промышленности, шубы и изделия из меха, лекарства, кресла-коляски, медицинские изделия, биологически активные добавки, антисептики, табак, духи и туалетная вода, шины и покрышки, фотоаппараты и лампы-вспышки.
Товары из разных категорий маркируют по-разному. Например, в меховые изделия внедряют RFID-метки — микрочипы, в которых с помощью радиочастотной идентификации зашифрованы сведения об объекте. На упаковку молочных изделий, обуви и лекарственных препаратов наносят черно-белый код Data-Matrix, оснащенный криптозащитой и содержащий информацию о характеристиках товара.
Источник: честныйзнак.рф
Исследование проводилось в рамках гранта Российского научного фонда. Часть работ ученые выполнили в Научном парке СПбГУ: ресурсных центрах «Оптические и лазерные методы исследования вещества» и «Рентгенодифракционные методы исследования» и междисциплинарном центре по направлению «Нанотехнологии».
По результатам исследования зарегистрирован патент RU 2 779 619 C1 «Защитный наномаркер со спектральным идентификационным кодом для маркировки ценных изделий и способ маркировки ценных изделий защитным наномаркером» (правообладатель — СПбГУ). Подробнее о разработке.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl