Dreifaches Leuchten gegen Geldfälschung und Produktpiraterie

Tinte mit Kohlenstoff-Nanopunkten luminesziert nach drei verschiedenen Mechanismen

06.05.2016 - China

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 Tinte aus Kohlenstoff-Nanopunkten vor: Das ausgeklügelte Verbundmaterial zeigt drei verschiedene Arten von Lumineszenz.

Ein Stoff, der bei Raumtemperatur auf drei verschiedene Weisen leuchtet, ist ein Novum. Dem Team um Hengwei Lin vom Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität Chongqing sowie der Southeast University, Nanjing, ist die Entwicklung eines solchen Materials auf der Basis sogenannter Kohlenstoff-Nanopunkte gelungen – lumineszierender Nanomaterialien, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften und der extrem geringen Toxizität viel Aufmerksamkeit erregt haben.

Die Forscher stellten Kohlenstoff-Nanopunkte nach einem einfachen Verfahren aus m-Phenylendiamin her, dispergierten sie zusammen mit Polyvinylalkohol in Wasser und trugen sie als Tinte 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 Nachleuten, 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).

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.

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.