Каждый производитель хочет иметь быстрый, простой и недорогой способ защитить свой товар от подделок. Производители ПО и компьютерных игр в целом решили эту проблему, переведя общение пользователей в онлайн. Но как быть с физическими объектами, которые все так же можно подделать и практически невозможно защитить каким-то паролем? Здесь могут помочь только специальные стикеры и «водяные знаки».

«На сегодняшний момент рынок полиграфических материалов, которые могут защищать изделия от контрафактной продукции, растет в геометрической прогрессии, ― рассказывает директор химико-биологического кластера Университета ИТМО Александр Виноградов.

Для этих целей применяются различные QR-коды, специальные информационные сигналы. Однако хотелось бы иметь доступные для производителей методы, без привлечения больших инвестиций, добавляет он.

«Уникальность изделий, которая может быть детектирована c помощью подручных методов, позволяет надежно подтвердить оригинальность продукции. Однако такие методы требуется постоянно совершенствовать, так как со временем они охотно воспроизводятся недобросовестными производителями. Использование методов струйной печати для защиты от фальсификации может значительно упростить процесс запуска производства упаковочной продукции, но требует серьезной многолетней проработки химического состава чернил», ― объясняет Александр Виноградов.

Задачи для решения

Ученые химико-биологического кластера Университета ИТМО уже на протяжении пяти лет работают над тем, чтобы методами растворной химии осуществить нанесение организованной наноструктуры высокого разрешения доступными методами. Фундаментальная проработка проекта осуществлялась при поддержке РНФ, а достигнутые на первом этапе результаты позволили заключить с компанией АО НПО «Криптен» контракт на внедрение этой технологии в их производственный цикл.

Для этого требовалось решить ряд теоретических и практических задач. Создать специальные коллоидные чернила на основе наноразмерных частицы целлюлозы, которые могли бы особым образом ориентироваться на поверхности при осаждении чернил методом струйной печати.

Стержневидные кристаллы запрограммированы таким образом, что ориентируются вдоль одной оси, образуя оптически активное покрытие при высыхании капель. Это приводит к возникновению необходимых оптических цветовых эффектов, наблюдаемых в поляризованном свете.

«Нам нужно было сделать так, чтобы с помощью струйного принтера можно было нанести на поверхность прозрачной подложки анизотропную оптическую структуру, то есть покрытие, в котором наночастицы целлюлозы закручиваются вдоль одной из осей и образуют так называемую хиральную нематическую структуру, ―  рассказывает Александр Виноградов. ― Проще говоря, чтобы наноразмерные частицы в многослойной системе упорядочивались определенным образом относительно друг друга, а не произвольно распределялись бы между собой. Толщина покрытий, сформированная при осаждении чернил, выбирается таким образом, чтобы приводить к появлению интерференции в поляризованном свете. Таким образом, цветной оптический отклик напечатанного рисунка, прозрачного при дневном свете, можно с легкостью наблюдать при свете экрана смартфона или любого другого ЖК-экрана».   

Чернила с секретом

Основу новых чернил составили специальные частицы шириной около 10 нанометров и длиной около 200 нанометров. В растворе эти частицы расположены хаотично и при обычном нанесении на подложку их расположение разнориентированно. Однако с помощью специальных химических методов синтеза и технологических параметров нанесения ученым удалось добиться того, чтобы частицы при осаждении струйным принтером ориентировались вдоль одной из осей, и при «сливании» осажденных капель воедино при печати макроизображений этот эффект сохранялся.  

«Это достигается модификацией наночастиц в растворе, когда мы заранее придаем им свойства, зная их заряд, ионную силу, характеристики раствора, зная, какими должны быть эти показатели при печати, ― рассказывает Александр Виноградов. ― Учитывая все эти вещи, мы подбираем концентрацию чернил и проводим их модификацию, чтобы динамика наночастиц, их взаимное отталкивание и притяжение не позволяли бы им сформировать хаотичное распределение, а способствовало бы только параллельному расположению друг относительно друга».

Таким образом можно напечатать любое полноцветное изображение ― цифру, букву, или какой-то рисунок, логотип, видимый только в поляризованном свете. Потенциально такие рисунки можно использовать на товарах, банкнотах, билетах и других объектах, требующих защиты производителя.

Статья: E. Eremeeva, E. Sergeeva, V. Neterebskaia, S. Morozova, D. Kolchanov, M. Morozov, I.Yu. Chernyshov, V.A. Milichko, A. Vinogradov. Printing of colorful cellulose nanocrystalline patterns visible in linearly polarized light. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020/10.1021/acsami.0c11846