Ученые разработали подход, позволяющий наносить лазером на поверхности специальных покрытий наноразмерные цветные метки с высоким разрешением. Авторы использовали тонкие слои нескольких металлов и оксидов, которые при лазерном воздействии формировали объемные структуры, по-разному отражающие и поглощающие свет, а потому дающие разную окраску. Кроме того, исследователи создали нейросеть, которая позволяет с точностью выше 90% определить, какой оттенок получится при разных параметрах лазерной обработки. Благодаря этому предложенный подход может использоваться для маркировки дорогих предметов, например, ценного промышленного и научного оборудования, и предотвращения контрафакта. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах ACS Applied Materials & Interfaces и Nano Letters.
Объемные наноструктуры на поверхности материалов, например, узоры из нанорешеток, полос, выпуклостей и впадин могут использоваться для создания защитных меток на дорогом оборудовании и других ценностях. Например, с помощью этой технологии маркируют некоторые дорогие швейцарские часы, но широко она пока не применяется. Принцип такой маркировки заключается в том, что объемные элементы узора по-разному преломляют и отражают свет, в результате чего возникает микроскопическая цветная картинка. Подобные метки можно создавать с помощью лазерной обработки, когда под действием луча света структура материала определенным образом (физически, а также при некоторых подходах и химически) меняется. Однако до сих пор разрешение и возможная палитра оттенков при такой лазерной печати были невысокими из-за того, что не удавалось, используя один и тот же материал или многослойное покрытие и подбирая оптимальные параметры лазерной обработки, получать необходимые типы наноструктур со своим уникальным цветом.
Ученые из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток) с коллегами разработали технологию лазерной печати, которая позволяет создавать на поверхности специальных трехслойных покрытий, которые потенциально могут быть нанесены на самые различные материалы, структурные цвета со сверхвысоким разрешением — вплоть до 50000 пикселей на дюйм (50000 dpi). Для сравнения, разрешение экранов современных смартфонов примерно в 20 раз ниже (даже при использовании технологии 4К).
Исследователи предложили наносить на материал, который требует создания метки, несколько дополнительных слоев (из серебра, оксида алюминия и золота или из титана, оксида титана и снова титана). Под действием лазера они формируют широкий спектр цветов — от зеленого до розового. Эти материалы были выбраны потому, что они и сами по себе, и в комбинациях демонстрируют разнообразные эффекты взаимодействия со светом, что удобно для создания наноструктур.
Предложенный подход не требует дорогостоящих методов литографии и химической обработки и позволяет наносить на поверхность рисунок с большой скоростью. Вдобавок, взаимное расположение напечатанных наноструктур удается точно контролировать. Благодаря этому в получающихся цветных изображениях можно шифровать оптическую информацию, которую невозможно будет увидеть невооруженным глазом. В частности, авторы смогли сделать так, чтобы абсолютно разные наноструктуры давали один и тот же оттенок. В результате для невооруженного (и даже вооруженного оптическим микроскопом с высоким разрешением) глаза разницы в цвете не наблюдается. И только более точный метод, такой как электронная микроскопия, покажет различие в типе наноструктур. Поэтому без высококлассного оборудования невозможно будет понять, что на материал нанесена какая-то защитная метка. Таким образом, технологию можно использовать для создания цветных меток безопасности на дорогостоящем научном и промышленном оборудовании в качестве меры по борьбе с контрафактом, случаи которого известны в аэрокосмической промышленности, при производстве солнечных панелей, видеокарт, подводных лодок и военной техники.
В новой работе авторы создали нейросетевую модель, позволяющую выявлять связь между параметрами лазерной обработки (скоростью движения и мощностью лазера) и получающимся при печати цветом. Отслеживать такие связи алгоритм обучили на экспериментальных спектрах отражения материала, обработанного при разных режимах работы лазера. Тестирование показало, что модель, опираясь на характеристики лазера, предсказывает цвет, который получится, с точностью не менее 90%. Таким образом, ее использование повысит воспроизводимость обработки и позволит точно контролировать цвета в многоцветных изображениях.
«Предложенная технология — это еще один шаг в сторону борьбы с контрафактной продукцией, причем с упором на высокотехнологичные отрасли, например производство научного оборудования, касающиеся стратегических интересов нашей страны. В дальнейшем мы планируем использовать многолучевую лазерную печать для создания более сложных рисунков и голографических защитных меток», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Василий Лапидас, младший научный сотрудник лаборатории синхротронных методов изучения свойств новых функциональных наноматериалов оптоэлектроники, нанофотоники и тераностики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Дальневосточного федерального университета (Владивосток), Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Харбинского политехнического университета (Китай) и Университета прикладных наук в Мюнстере (Германия).
Информация предоставлена пресс-службой Российского научного фонда
Источник фото: ru.123rf.com
