Dreifaches Leuchten gegen Geldfälschung und Produktpiraterie
Eine fälschungssichere Druckfarbe mit Kohlenstoff-Nanopunkten luminesziert nach drei verschiedenen Mechanismen.
Banknoten, viele Dokumente, Markenprodukte und sensible Waren wie Pharmaka oder technische Bauteile werden markiert, um sie von Fälschungen zu unterscheiden. Herkömmliche Fluoreszenz-Markierungen können einige Fälscher inzwischen jedoch nachmachen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen chinesische Wissenschaftler jetzt eine neue, besonders fälschungssichere Druckfarbe aus Kohlenstoff-Nanopunkten vor: Das ausgeklügelte Verbundmaterial zeigt drei verschiedene Arten von Lumineszenz.
Die Basis: lumineszierende Nanomaterialien
Ein Stoff, der bei Raumtemperatur auf drei verschiedene Weisen leuchtet, ist ein Novum. Sechs Wissenschaftlern ist die Entwicklung eines solchen Materials auf der Basis sogenannter Kohlenstoff-Nanopunkte gelungen – lumineszierende Nanomaterialien, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften und der extrem geringen Toxizität viel Aufmerksamkeit erregt haben.
Film ist unter normaler Beleuchtung farblos
Die Forscher stellten Kohlenstoff-Nanopunkte nach einem einfachen Verfahren aus m-Phenylendiamin her, dispergierten sie zusammen mit Polyvinylalkohol in Wasser und trugen sie als Druckfarbe mit einem Gelstift auf eine Banknote und ein Dokument auf. Nach dem Trocknen entstand ein transparenter, unter normaler Beleuchtung farbloser Film aus Kohlenstoff-Nanopunkten in einer Polyvinylalkohol-Matrix, der es dreifach in sich hat: 1) Unter Bestrahlung mit einer UV-Lampe (365 nm) zeigt die Markierung ein blaues Leuchten (Photolumineszenz) sowie 2) ein grünes Nachleuchten, das noch einige Sekunden nach Abschalten der UV-Lampe andauert (Raumtemperatur-Phosphoreszenz). 3) Bestrahlung mit einem gepulsten Femtosekunden-Infrarot-Laser (800 nm) erzeugt ein blaugrünes Leuchten (Zwei-Photonen-Lumineszenz).
UV-Licht katapultiert Elektronen in höheres Energieniveau
Die Photolumineszenz ist ein weit verbreitetes Phänomen: Anregung mit UV-Licht katapultiert Elektronen in ein höheres Energieniveau, bei der Rückkehr in den Grundzustand wird ein Teil der Energie in Form von sichtbarem Licht wieder abgegeben. Deutlich seltener ist die Zwei-Photonen-Lumineszenz, bei der zwei Photonen gleichzeitig absorbiert werden, in diesem Fall aus dem Infrarot-Bereich, und das Elektron in ein höheres Energieniveau gelangt. Aus diesem kann es unter Emission von Licht einer kürzeren Wellenlänge, nämlich aus dem sichtbaren Spektralbereich, direkt in den Ausgangszustand zurückkehren.
Stickstoffhaltige Gruppen sind entscheidend für Phosphoreszenz
Eine Phosphoreszenz bei Raumtemperatur ist besonders selten. Dabei wird absorbierte Lichtenergie erst verzögert wieder abgegeben, da quantenmechanisch „verbotene“ – und damit unwahrscheinliche – elektronische Übergänge involviert sind. Die Wissenschaftler stellten fest, dass stickstoffhaltige Gruppen auf der Oberfläche der Kohlenstoff-Nanopunkte entscheidend für die beobachtete Phosphoreszenz sind. Zudem spielt die Einbettung in die Polyvinylalkohol-Matrix eine wichtige Rolle, da sie innermolekulare Bewegungen hemmen, die der Phosphoreszenz entgegenwirken.