De minuscules particules pourraient aider à vérifier les marchandises

Selon un rapport 2013 des Nations Unies, environ 2 à 5 % de tout le commerce international concerne des produits contrefaits. Ces produits illicites, qui comprennent l'électronique, les pièces automobiles et aéronautiques, les produits pharmaceutiques et les aliments, peuvent présenter des risques pour la sécurité et coûter aux gouvernements et aux entreprises privées des centaines de milliards de dollars par an.

De nombreuses stratégies ont été développées pour essayer d'étiqueter les produits légitimes et empêcher le commerce illégal - mais ces étiquettes sont souvent trop faciles à falsifier, ne sont pas fiables ou coûtent trop cher à mettre en œuvre, selon les chercheurs du MIT qui ont développé une nouvelle alternative.

Dirigés par Patrick Doyle, professeur de génie chimique au MIT, et Albert Swiston, membre du personnel technique du Lincoln Laboratory, les chercheurs ont inventé un nouveau type de minuscule particule lisible par smartphone qui, selon eux, pourrait être déployée pour aider à authentifier la monnaie, les pièces électroniques et les produits de luxe, parmi autres produits. Les particules, invisibles à l'œil nu, contiennent des bandes colorées de nanocristaux qui brillent de mille feux lorsqu'elles sont éclairées par une lumière proche infrarouge.

Illustration par José-Luis Olivares / MIT

Ces particules peuvent facilement être fabriquées et intégrées dans une variété de matériaux, et peuvent résister à des températures extrêmes, à l'exposition au soleil et à une usure importante, explique Doyle, auteur principal d'un article décrivant les particules dans le numéro du 13 avril de Matériaux naturels . Ils pourraient également être équipés de capteurs capables d'enregistrer leur environnement – ​​en notant, par exemple, si un vaccin réfrigéré a déjà été exposé à des températures trop élevées ou trop basses.

Les auteurs principaux de l'article sont le postdoctorant du MIT Jiseok Lee et l'étudiant diplômé Paul Bisso. Les étudiants diplômés du MIT, Rathi Srinivas et Jae Jung Kim, ont également contribué à la recherche.

« Une capacité d’encodage massive »

Les nouvelles particules mesurent environ 200 microns de long et comprennent plusieurs bandes de nanocristaux de couleurs différentes, connus sous le nom de nanocristaux de conversion ascendante des terres rares. Ces cristaux sont dopés avec des éléments tels que l'ytterbium, le gadolinium, l'erbium et le thulium, qui émettent des couleurs visibles lorsqu'ils sont exposés à la lumière proche infrarouge. En modifiant les rapports de ces éléments, les chercheurs peuvent régler les cristaux pour qu'ils émettent n'importe quelle couleur dans le spectre visible.

Pour fabriquer les particules, les chercheurs ont utilisé la lithographie stop-flow, une technique développée précédemment par Doyle. Cette approche permet d'imprimer des formes sur des flux parallèles de monomères liquides, des éléments constitutifs chimiques qui peuvent former des chaînes plus longues appelées polymères. Partout où des impulsions de lumière ultraviolette frappent les flux, une réaction est déclenchée qui forme une particule polymère solide.

Dans ce cas, chaque flux de polymère contient des nanocristaux qui émettent des couleurs différentes, permettant aux chercheurs de former des particules rayées. Jusqu'à présent, les chercheurs ont créé des nanocristaux de neuf couleurs différentes, mais il devrait être possible d'en créer beaucoup plus, dit Doyle.

En utilisant cette procédure, les chercheurs peuvent générer de grandes quantités de balises uniques. Avec des particules qui contiennent six bandes, il y a 1 million de combinaisons de couleurs différentes possibles ; cette capacité peut être augmentée de façon exponentielle en marquant des produits avec plus d'une particule. Par exemple, si les chercheurs créaient un ensemble de 1 000 particules uniques, puis marquaient des produits avec 10 de ces particules, il y aurait 1030 combinaisons possibles – bien plus que suffisant pour marquer chaque grain de sable sur Terre.

C'est vraiment une capacité d'encodage énorme, explique Bisso, qui a commencé ce projet alors qu'il faisait partie du personnel technique du Lincoln Lab. Vous pouvez appliquer différentes combinaisons de 10 particules aux produits d'aujourd'hui jusqu'à notre époque et vous n'obtiendrez jamais la même combinaison.

L'utilisation de ces nanocristaux à conversion ascendante est assez intelligente et hautement habilitante, explique Jennifer Lewis, professeur d'ingénierie biologiquement inspirée à l'Université Harvard qui n'a pas participé à la recherche. Il y a plusieurs caractéristiques frappantes de ce travail, à savoir les capacités de codage à mise à l'échelle exponentielle et le taux de fausses alarmes de décodage ultra-faible.

Particules polyvalentes

Les microparticules pourraient être dispersées dans des pièces électroniques ou des emballages de médicaments pendant le processus de fabrication, incorporées directement dans des objets imprimés en 3D ou imprimées sur de la monnaie, selon les chercheurs. Ils pourraient également être incorporés dans de l'encre que les artistes pourraient utiliser pour authentifier leurs œuvres.

Les chercheurs ont démontré la polyvalence de leur approche en utilisant deux polymères aux propriétés matérielles radicalement différentes - l'un hydrophobe et l'autre hydrophile - pour fabriquer leurs particules. Les lectures de couleur étaient les mêmes pour chacun, ce qui suggère que le processus pourrait facilement être adapté à de nombreux types de produits que les entreprises pourraient vouloir étiqueter avec ces particules, dit Bisso.

La possibilité d'adapter les propriétés matérielles de l'étiquette sans impacter la stratégie de codage est vraiment puissante, dit-il. Ce qui distingue notre système des autres technologies anti-contrefaçon, c'est cette capacité à adapter rapidement et à moindre coût les propriétés des matériaux pour répondre aux besoins d'exigences très différentes et difficiles, sans affecter la lecture du smartphone ni nécessiter une refonte complète du système.

Un autre avantage de ces particules est qu'elles peuvent être lues sans un décodeur coûteux comme ceux requis par la plupart des autres technologies anti-contrefaçon. À l'aide d'un appareil photo pour smartphone équipé d'un objectif offrant un grossissement vingt fois, n'importe qui pouvait imager les particules après avoir projeté sur elles une lumière proche infrarouge avec un pointeur laser. Les chercheurs travaillent également sur une application pour smartphone qui traiterait davantage les images et révélerait la composition exacte des particules.

La recherche a été financée par l'US Air Force, le Bureau du secrétaire adjoint à la Défense pour la recherche et l'ingénierie, l'Alliance Singapour-MIT, la National Science Foundation, le US Army Research Office et les National Institutes of Health.

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