07.05.2014

Farbiger Barcode im Miniformat

Forscher entwickeln unsichtbares Streifenmuster zur Kennzeichnung von Produkten

Zwei bis fünf Prozent aller Güter, die weltweit gehandelt werden, sind Fälschungen, sagen amerikanische Wissenschaftler. Sie wollen daher mit winzigen, mit bloßem Auge unsichtbaren Farbstreifen Produkte so markieren, dass Betrüger künftig keine Chance mehr haben. Ein gewöhnliches Smartphone mit Objektiv könnte dann ausreichen, Original und Fälschung voneinander zu unterscheiden.

Die Farbcodes sind nur etwa ein Fünftel Millimeter groß und können daher mit bloßem Auge nicht gelesen werden. Illustration: Jiseok Lee, MIT
Farbcodes, Illustration: Jiseok Lee, MIT

Als Farbstoffe verwenden die Wissenschaftler um Patrick Doyle vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge winzige Kristalle, in deren Gitterstrukturen sogenannte seltene Erden eingebaut sind: Diese außerhalb der Wissenschaft kaum bekannten Elemente wie Ytterbium, Gadolinium, Erbium und Thulium haben die besondere Eigenschaft, Licht auszusenden, wenn sie mit Wellenlängen im nahen Infrarot bestrahlt werden. Mit dem Mengenverhältnis dieser Elemente in den Kristallen verändert sich auch die Farbe des abgegebenen Lichts. Die Wissenschaftler konnten so bereits neun Farben vom Violett, Rot, Orange über Gelb, Grün und Kobalt bis hin zum Dunkelblau, Hellblau und Grau herstellen.

Mit den winzigen Farbstoffen allein lassen sich jedoch noch keine farbigen Produktcodes produzieren. Dazu müssen die Kristalle auf einem Trägermaterial fixiert werden, das sich zudem noch auf beliebigen Werkstoffen befestigen lässt. Dies gelang den Forschern mit einem Verfahren, das Stop-Flow-Lithografie genannt wird. Dabei werden die Kristalle auf längliche, parallele Streifen flüssiger Kunststoffmaterialien aufgesetzt. Durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht härtet der Kunststoff aus und es entstehen feine Fasern aus langkettigen Molekülen, mit denen die Farbstoffe nun fest verbunden sind.

Ein Smartphone mit entsprechender App soll für das Auslesen genügen und ermöglicht somit auch den Endverbrauchern die Erkennung von Fälschungen. Illustration: Jiseok Lee, MIT
Smartphone,  Illustration: Jiseok Lee, MIT

Die Wissenschaftler können nun die Farbstoffe so gezielt auf die flüssigen Streifen aufbringen, dass kleine Partikel mit Mustern farbiger Streifen entstehen. Diese nur etwa 0,2 Millimeter großen Partikel könnten etwa bei der Produktion von Medikamentenverpackungen auf die Oberfläche des Materials aufgebracht werden. Sie könnten in die Sicherheitsfelder von Geldscheinen eingebaut oder gleich direkt in Farbstoffe gemischt werden, mit denen Produkte beschichtet werden. Da für das Trägermaterial Stoffe mit sehr verschiedenen chemischen und physikalischen Charakteristiken gewählt werden können, ist die Anwendungsvielfalt groß - wie die Wissenschaftler zeigen konnten. Beispielsweise können die Trägermaterialien Temperaturen von 260 Grad Celsius aushalten, wie sie beim Formen von Kunststoffen entstehen. So könnte das Einbringen der Farbcodes leicht Teil automatisierter Produktionsprozesse werden.

Die Zahl möglicher Codes ist dabei nahezu unbegrenzt, da bereits mit sechs Streifen etwa eine halbe Million verschiedener Muster erzeugt werden können. Doch lediglich tausend verschiedene Muster würden ausreichen, um alle jemals auf der Welt hergestellten Produkte individuell zu markieren: Werden von diesen tausend Mustern immer zehn ausgewählt, um ein Produkt zu kennzeichnen, so gibt es zehn hoch dreißig verschiedene Möglichkeiten – eine Eins mit dreißig Nullen. "Wir könnten damit jedes Sandkorn auf der Erde markieren", erklärt Paul Bisso, einer der beteiligten Wissenschaftler.

Bleibt noch das Auslesen der Farbcodes: Das könnte mit einem Mikroskop geschehen, nach dem Willen der Forscher sollte jedoch auch ein gewöhnliches Smartphone genügen, das mit einem optischen System für mindestens zwanzigfache Vergrößerung ausgestattet ist. Die Wissenschaftler arbeiten derzeit an einer entsprechenden App, die Farbcodes der verschiedenen auf die Oberfläche aufgebrachten Partikel ähnlich wie einen QR-Code einlesen kann. Das betreffende Material müsste dazu einfach mit einem Laserpointer beleuchtet werden, der in der Regel auch Licht im nahen Infrarot aussendet.

Die Farbcodes könnten ohne Schwierigkeit auch in der Masse produziert werden, sagen die Forscher: Ein automatisiertes System wäre nicht größer und nicht teurer als ein Laptop und könnte pro Sekunde etwa zehn Partikel herstellen. Eine Fabrik mit hundert solcher Systeme könnte pro Stunde bereits mehrere Millionen produzieren. Wann das System auf den Markt kommen wird, ist bisher allerdings noch offen.  (ud)