Self-assembled materials for anticounterfeiting devices

Abstract

Negli ultimi anni il problema della contraffazione di prodotti ha assunto proporzioni allarmanti. Oltre ad essere un problema economico per aziende e governi, la contraffazione rappresenta un rischio notevole per la salute pubblica e per la sicurezza nazionale, questo soprattutto quando si ha a che fare con la contraffazione di medicinali o di componenti destinati ai comparti militari. Le copie contraffatte sono sempre più spesso, in apparenza, talmente fedeli all’originale che gli stessi produttori incontrano difficoltà nel distinguere il prodotto originale da una sua copia non autorizzata. A causa di questo, i paesi sviluppati necessitano di soluzioni tecniche sempre più efficaci che forniscano un valido supporto per l'autenticazione, l'identificazione e la tracciabilità delle merci. Le funzioni fisiche non clonabili (PUF) sono alla base dei sistemi di anticontraffazione più innovativi con elevati livelli di sicurezza. Una chiave PUF è una manifestazione fisica di una chiave crittografica, è impossibile da contraffare e si basa su una funzione fisica unica generata in maniera casuale. La materia soffice, grazie alle sue peculiari proprietà, si presta alla creazione di chiavi PUF. Ad esempio, materiali quali i cristalli liquidi e la cellulosa, in grado di auto-assemblarsi in complesse strutture sopramolecolari, presentano particolari proprietà ottiche e fotoniche ed una alta responsività agli stimoli esterni. Nuovi materiali compositi, basati sull’unione con nanoparticelle organiche ed inorganiche, possono essere preparati tramite procedure che conferiscono loro una casualità intrinseca. In questo modo è possibile creare strutture complesse e impossibili da riprodurre che si riflettono in proprietà ottiche uniche. Tali materiali sono degli ottimi candidati per la realizzazione di chiavi PUF. Il presente lavoro di dottorato si inquadra in questo filone di ricerca. In particolare sono presentati due esempi di chiavi PUF basate sull’utilizzo di emulsioni di cristallo liquido chirale. Confinando il materiale liquido cristallino, drogato con nanoparticelle metalliche, in microsfere e applicando un forte campo elettrico è possibile ottenere la creazione simultanea e casuale in ogni microsfera di diverse tessiture ottiche che mostrano le stesse caratteristiche delle impronte digitali umane. Tale sistema è proposto come generatore fisico di impronte digitali e viene mostrato un primo esempio di prototipo di etichetta anticontraffazione. Nel secondo caso l’emulsione di cristallo liquido, stavolta drogata con un colorante fluorescente e con dei nanocristalli di cellulosa, viene elettrofilata ottenendo un film sottile e flessibile che contiene al suo interno una disposizione casuale di microsfere fluorescenti. La mappa posizionale delle microsfere all’interno del filato costituisce una chiave PUF. Entrambi i risultati ottenuti sono originali e sono in fase avanzata di prototipazione. Inoltre, in vista della creazione di dispositivi bio ed eco compatibili che possano essere usati nella tracciabilità di cibi e farmaci, vengono presentate due soluzioni basate sull’utilizzo di materiali quali cellulosa e i suoi derivati (nanocristalli e idrossipropilcellulosa). Tali materiali, sintetizzati appositamente per questo lavoro di ricerca, sono utilizzati per la creazione di etichette autosupportate in grado di riflettere i colori in maniera selettiva, ma anche in grado di mostrare delle proprietà aggiuntive, quali la fluorescenza, se i nanocristalli di cellulosa sono funzionalizzati con un colorante. In questo caso, anche se i film utilizzati non presentano una casualità intrinseca, sono comunque strutture molto complesse di difficile riproduzione che possono essere arricchite da ulteriori proprietà ottiche. I film descritti si prestano a ulteriori miglioramenti, sia in termini della ottimizzazione delle procedure di sintesi dei materiali, sia in termini delle procedure di preparazione dei film.