Nowe zabezpieczenie banknotów jest niewidzialne. Nawet gdy zmienia kolor

Wyobraźmy sobie znak na banknocie, którego nie zobaczymy nawet wtedy, gdy właśnie zmienił kolor. Brzmi to trochę jak sprzeczność, ale naukowcy z Finlandii stworzyli materiał, który robi dokładnie to. Po naświetleniu ultrafioletem nadal wygląda dla człowieka jak biały proszek, lecz zaczyna silnie pochłaniać bliską podczerwień. Odpowiednia kamera widzi różnicę natychmiast. Co więcej, efekt można później wyłączyć i uruchomić ponownie.

Materiał nazywa się davyne i należy do glinokrzemianów. Jego najważniejszą właściwością jest fotochromizm, czyli odwracalna zmiana sposobu pochłaniania światła pod wpływem promieniowania. Znamy ten efekt choćby z soczewek okularowych, które ciemnieją na słońcu. W typowym materiale fotochromowym zmianę można jednak zobaczyć. Davyne zachowuje się jednak zupełnie inaczej.

Po naświetleniu UV jego nowe pasmo pochłaniania pojawia się w okolicach 920 nm, czyli już poza zakresem widzialnym dla ludzkiego oka. Człowiek patrzący na próbkę przed i po aktywacji zobaczy praktycznie to samo. Kamera czuła na bliską podczerwień zobaczy natomiast wyraźną różnicę. Autorzy pracy określają davyne jako pierwszy materiał fotochromowy, którego odwracalna zmiana zachodzi wyłącznie w bliskiej podczerwieni bez towarzyszącej jej widocznej zmiany koloru.

Co ciekawe, odkrycie nie było tak naprawdę pierwotnym celem projektu. Zespół Uniwersytetu w Turku od lat bada hackmanit, naturalny minerał, który można również otrzymywać syntetycznie. Hackmanit po napromieniowaniu UV potrafi zmienić kolor z białego na różowy lub fioletowy. Białe światło albo ogrzanie materiału powoduje później powrót do pierwotnego wyglądu.

Badacze zaczęli eksperymentować ze składem i zastąpili część sodu wapniem. Część próbek zaczęła zachowywać się inaczej, niż oczekiwano. Jedne stawały się żółte, a inne z pozoru nie zmieniały się wcale. Dopiero dokładniejsze pomiary pokazały, że w tych ostatnich również zachodzi fotochromizm. Tyle że został przesunięty poza świat widzialny. Okazało się też, że odpowiada za niego nie zmodyfikowany hackmanit, lecz powstający obok niego davyne. Oba materiały mogą mieć bardzo podobny skład chemiczny, ale atomy układają się w nich w inną strukturę.

Sam mechanizm brzmi skomplikowanie, ale można go sprowadzić tak naprawdę do ruchu pojedynczego elektronu. W strukturze davyne znajdują się defekty – miejsca, w których powinien znajdować się jon chloru, ale go brakuje. Po oświetleniu materiału ultrafioletem elektron związany wcześniej ze związkami siarki może zostać przeniesiony właśnie do takiej pustej przestrzeni. Powstaje wtedy tzw. centrum barwne.

Uwięziony elektron zaczyna pochłaniać światło o określonej energii. W hackmanicie prowadzi to do zmiany widocznej dla człowieka. Struktura davyne ma jednak większe przestrzenie i kanały, dlatego pochłanianie zostaje przesunięte do bliskiej podczerwieni. Materiał fizycznie zmienia więc swoje właściwości optyczne, lecz nasze oczy nie posiadają receptorów reagujących na odpowiednią długość fali. Białe światło albo ogrzanie pozwala elektronowi wrócić na wcześniejsze miejsce i kasuje zapis.

W eksperymencie najlepszą aktywację uzyskiwano promieniowaniem UV o długości około 250-275 nm. Po 5 min naświetlania osiągano już około 78 proc. maksymalnego efektu, a pełne nasycenie wymagało dłuższej ekspozycji.

Później proces można było odwrócić zwykłym białym światłem. W warunkach laboratoryjnych po około godzinie usuwano 90 proc. efektu, choć tempo zależy od intensywności oświetlenia. Najważniejsze jest to, że cykl da się powtarzać.

Davyne nie jest więc klasycznym niewidzialnym pigmentem, który po naniesieniu po prostu zawsze świeci albo pochłania konkretną długość fali. Jego stan można przełączać. Dla zabezpieczeń oznacza to dodatkową warstwę kontroli. Dokument może zawierać znak, którego nie widać gołym okiem, który normalnie jest nieaktywny, a dopiero odpowiednie oświetlenie UV powoduje pojawienie się sygnału możliwego do sprawdzenia w podczerwieni.

Najpraktyczniejszy element badania pojawił się tak naprawdę podczas prostego testu z kamerą. Naukowcy użyli niedrogiej kamery astronomicznej pozbawionej filtrów blokujących podczerwień oraz diod NIR o długościach 850, 880 i 940 nm. Po aktywacji UV fragment pokryty davyne pozostawał identyczny w zwykłym świetle, ale pod oświetleniem podczerwonym stawał się dla kamery znacznie ciemniejszy.

Co ciekawe, zakres działania materiału bardzo dobrze pasuje do istniejącej infrastruktury. Współczesne czytniki paszportów i dokumentów korzystają już z diod pracujących w rejonie około 870-900 nm. To oznacza, że przynajmniej od strony samego odczytu nie trzeba wymyślać zupełnie nowej klasy urządzeń.

Banknoty już dziś są zresztą małymi laboratoriami optyki. Polski banknot 500 zł wykorzystuje m.in. nitkę zabezpieczającą zmieniającą kolor wraz z kątem obserwacji, a w nowszych emisjach kolekcjonerskich pojawiają się zabezpieczenia aktywne w UV, farby zmienne optycznie czy elementy soczewkowe. Davyne mógłby dołożyć warstwę, której użytkownik nie jest w stanie zweryfikować samym patrzeniem.

Podrobienie widocznego nadruku wymaga odwzorowania jego wyglądu. Przy davyne wygląd w świetle dziennym nie zdradza praktycznie niczego. Trzeba wiedzieć, że znacznik istnieje, gdzie się znajduje, jak go aktywować i jakiego zakresu podczerwieni użyć do odczytu. Dodatkową komplikacją jest jednak odwracalność.

Przeczytaj także:

Na polskich banknotach kolekcjonerskich już stosuje się kombinacje mikrodruków, UV, farb irydyscentnych i zabezpieczeń zmiennych optycznie. Najskuteczniejsze zabezpieczenie nie polega jednak na jednej magicznej technologii, ale na nałożeniu kilku metod, które fałszerz musiałby odtworzyć jednocześnie. Davyne świetnie do tego pasuje, bo dodaje zabezpieczenie niewidoczne w zwykłym świetle, ale łatwe do sprawdzenia przez odpowiedni czytnik.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Virrage Images Inc, Canva Pro