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研究背景

假冒是一個(gè)嚴(yán)重的全球性問題，給工業(yè)造成數(shù)萬億美元的損失，而且這些損失每年都在增加。此外，藥品、證書和電子產(chǎn)品中的假冒行為直接威脅到人類健康、社會(huì)公平和國(guó)家安全。一個(gè)非常有效的解決辦法是防偽標(biāo)簽，特別是易于驗(yàn)證的光學(xué)安全裝置，如熒光全息圖。為此已經(jīng)開發(fā)了相當(dāng)數(shù)量的熒光材料，包括半導(dǎo)體量子點(diǎn)、有機(jī)染料和碳點(diǎn)(CDs)。在這些材料中，CDs因其穩(wěn)定性、低毒性、廣泛使用的前體和生物/生態(tài)友好的制備方法而脫穎而出。

然而，大多數(shù)報(bào)道的CDs僅在溶液中發(fā)出熒光，并且在固態(tài)中會(huì)發(fā)生π -π堆積和猝滅。將CDs摻雜到基質(zhì)(例如聚合物、鹽或淀粉)或合成自色散CDs(例如通過位阻、靜電斥力或氫鍵)是實(shí)現(xiàn)固態(tài)熒光(SSF)的最新策略。CD單體被阻止直接相互作用，以避免聚集引起的猝滅。然而，大多數(shù)獲得的CDs表現(xiàn)出明顯的光譜偏移，具有競(jìng)爭(zhēng)性的非輻射衰減或明顯的濃度依賴性發(fā)光特性。這將導(dǎo)致量子效率降低，或增加固體狀態(tài)下所需發(fā)射顏色的優(yōu)化步驟。

成果簡(jiǎn)介

除了每年造成數(shù)萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失外，假冒還威脅著人類健康、社會(huì)公平和國(guó)家安全。目前用于防偽標(biāo)簽的材料通常含有有毒的無機(jī)量子點(diǎn)，而產(chǎn)生不可克隆圖案的技術(shù)需要繁瑣的制造或復(fù)雜的讀出方法。近日，德國(guó)馬普所膠體與界面研究所Felix F. Loeffler教授團(tuán)隊(duì)提出了一種納米打印輔助閃光合成方法，可以在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生具有物理不可克隆功能微圖案的熒光納米膜。這種一體化的方法直接從簡(jiǎn)單的單糖中產(chǎn)生固體薄膜中的抗淬火碳點(diǎn)。

此外，作者還建立了一個(gè)包含1,920個(gè)實(shí)驗(yàn)的納米膜庫，為各種光學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)提供了條件。產(chǎn)生了100個(gè)獨(dú)立的物理不可克隆函數(shù)模式，具有接近理想的比特均勻性(0.492±0.018)，高唯一性(0.498±0.021)和出色的可靠性(>93%)。

這些不可克隆的圖案可以通過熒光和地形掃描快速獨(dú)立讀取，大大提高了它們的安全性。一個(gè)開源的深度學(xué)習(xí)模型保證了精確的身份驗(yàn)證，即使模式受到不同分辨率或設(shè)備的挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作以“An all-in-one nanoprinting approach for the synthesis of a nanofilm library for unclonable anti-counterfeiting applications”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Nanotechnology》上。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 納米閃光(Nanoflash)合成方法的原理及轉(zhuǎn)移模式的表征

圖2. 納米閃光法制備的納米膜的化學(xué)和光學(xué)分析

在這里，作者提出了一種一體化的納米打印方法來原位生成具有多通道不可克隆微結(jié)構(gòu)的CD納米膜。聚合物CD (PCD)圖案是由單糖在毫秒內(nèi)快速合成并穩(wěn)定的。整個(gè)過程是環(huán)保的(熒光團(tuán)由糖基材料生產(chǎn)，不需要有毒前體或有機(jī)溶劑)，高效且易于調(diào)節(jié)，允許建立一個(gè)具有1,920個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的SSF薄膜庫。數(shù)據(jù)庫包括化學(xué)環(huán)境和物理打印參數(shù)，提供了多種光學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的選擇。

由于其固有的隨機(jī)性，這些微觀結(jié)構(gòu)可以作為物理不可克隆功能(PUF)模式，可以通過熒光(FL)掃描和白光干涉(WLI)測(cè)量?jī)煞N獨(dú)立且快速的方法讀取。兩種讀出都具有足夠的編碼容量、接近理想的位均勻性、唯一性和可靠性。熒光和形貌顯微結(jié)構(gòu)的結(jié)合極大地提高了PUF圖案的安全水平，在100個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，使它們免受納米成型或納米光刻等一般攻擊。最后，采用開源深度學(xué)習(xí)模型(LoFTR，無檢測(cè)器本地特征匹配與變壓器)進(jìn)行身份驗(yàn)證，即使最終用戶使用不同分辨率或設(shè)備掃描PUF模式，也可以進(jìn)行精確識(shí)別。

圖3. 納米閃光法合成熒光薄膜庫

圖4. PUF模式的描述和認(rèn)證

圖5. 具有顯微形貌和納米厚度的人工指紋

為了評(píng)估PUF模式的特性，作者對(duì)納米膜的FL和WLI掃描進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖4a)。這兩種測(cè)量方法不需要很長(zhǎng)的讀出時(shí)間或昂貴的設(shè)備。作者制作了100個(gè)單獨(dú)的PUF圖案(每個(gè)950 × 950 μm², 49或105 mW功率，100或150 mm s^-1掃描速度)。每個(gè)樣品被掃描兩次，中間重新定位樣品。將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行Hamming distance漢明距離(HD)計(jì)算。

FL和WLI讀數(shù)的平均位均勻性都接近于0.5的理想值，標(biāo)準(zhǔn)差很窄(圖4b)，證實(shí)了較高的隨機(jī)性。設(shè)備的唯一性和可靠性通過設(shè)備間和設(shè)備內(nèi)的HD來量化。對(duì)于FL掃描，歸一化設(shè)備間HD的直方圖集中在0.5左右(圖4c)，可靠性值高于0.95。與其他高度檢測(cè)測(cè)量類似，每個(gè)WLI讀數(shù)都需要一個(gè)單獨(dú)的閾值，這使得圖像處理更加困難。因此，WLI掃描顯示的信度略低于0.9，仍然可以接受。該方法生成的PUF模式具有較高的唯一性，對(duì)重復(fù)挑戰(zhàn)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力。

總結(jié)展望

作者所描述的納米閃光合成方法是一種一體化的策略，因?yàn)樗谠簧晒虘B(tài)熒光(SSF) CD薄膜，同時(shí)打印不可克隆的納米/微結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的烤箱無溶劑合成過程中，由于過度碳化而形成的大碳片會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅。

這項(xiàng)方法通過在毫秒內(nèi)精確控制加熱過程來避免這個(gè)問題，生成的CDs分散在未反應(yīng)的單糖前體中，大大降低了F?rster共振能量轉(zhuǎn)移，因此CD納米膜具有抗淬火性能。作者生成了一個(gè)納米膜庫(1,920個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集)，具有從紫藍(lán)色到紅色的可調(diào)SSF和不同的微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)的明顯隨機(jī)性使得納米膜可以用作PUF模式。觀察到接近理想的位均勻性、高唯一性和優(yōu)異的可靠性，表明這些薄膜具有優(yōu)異的PUF性能。

此外，獨(dú)立熒光和形貌讀出的結(jié)合大大提高了PUF圖案的安全水平，使其免受納米成型和納米光刻的攻擊。通過開源算法LoFTR，無論最終用戶選擇哪種讀出方法(FL或WLI)，內(nèi)部和相互關(guān)系之間的顯著差距都保證了精確的身份驗(yàn)證。作者還注意到，這項(xiàng)技術(shù)可以用于未來合成顏色轉(zhuǎn)換層，抗猝滅(有機(jī))發(fā)光二極管或敏感的生物/化學(xué)傳感器。

文獻(xiàn)信息

An all-in-one nanoprinting approach for the synthesis of a nanofilm library for unclonable anti-counterfeiting applications. (Nat. Nanotechnol. 2023, DOI: 10.1038/s41565-023-01405-3)

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01405-3

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