Forschung / Labor

Polymer-Hydrogele sichern vertrauliche Informationen

Die Entwicklung hoch sicherer, aber einfacher, kostengünstiger Verschlüsselungstechnologien zur Verhinderung von Datenlecks und Fälschungen ist ausgesprochen herausfordernd.

In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam jetzt eine „Doppelverriegelung“ vor, die auf thermoresponsiven Polymer-Hydrogelen basiert und Information so verschlüsselt, dass sie nur in einem spezifischen Temperatur- und Zeitfenster gelesen werden kann.Neben digitalen spielen physikalische Verschlüsselungsmethoden eine wichtige Rolle. Deren Dekodierung basiert typischerweise auf externen Reizen wie Licht oder Wärme. Mehrfache Reize bieten mehr Sicherheit, machen aber das Auslesen mühsam und aufwendig. „Nimmt man die Zeitebene dazu, lassen sich Sicherheit und Einfachheit besser vereinen“, so das Team um Zhikun Zheng, Xudong Chen und Wei Liu von der Sun Yat-sen University (Guangzhou, China). „Inspiriert wurden wir vom Brotbacken: Schmackhaftes Brot entsteht nur, wenn das Brot bei einer weder zu niedrigen noch zu hohen Temperatur lange genug, aber nicht zu lange im Ofen bleibt.“

Für ihr neuartiges „Doppel-Verschlüsselungssystem“ nutzen sie thermoresponsive Polymer-Hydrogele – vernetzte Kettenmoleküle, in deren „Maschen“ Wasser eingelagert ist. Ober- bzw. unterhalb einer spezifischen Temperatur werden die klaren Gele aufgrund einer teilweisen Entmischung trüb. Man unterscheidet zwischen LCST- und UCST-Gelen mit einer unteren bzw. einer oberen kritischen Lösungstemperatur (lower bzw. upper critical solution temperature). Über den Gehalt an –CO–NH2-Gruppen im Polymer-Rückgrat der Gele lassen sich Phasenverhalten und kritische Temperatur steuern, über die Vernetzungsdichte, wie schnell die Phasenumwandlung abläuft.

Als Beispiel für ein verschlüsseltes Etikett verwendete das Team transparente Acryl-Plättchen mit Vertiefungen in Form von QR-Codes. Drei verschiedene Gele wurden in definierte Bereiche des Musters gegeben: ein UCST-Gel mit einem Phasenwechsel um 40 °C und zwei LCST-Gele mit einem Phasenwechsel um 33 °C – eines mit schnellem und eines mit langsamem Phasenwechsel. Unterhalb 20 °C ist das UCST-Gel trüb, aber stark geschrumpft. Das Muster ist deformiert und nicht lesbar. Zwischen 20 und 33 °C quillt es und der von ihm gebildete Teil des Codes wird erkennbar. Der zweite, durch das „schnelle“ LCST-Gel gebildete Teil jedoch noch nicht. Erst Erwärmen auf mehr als 33 °C sorgt für eine Trübung der beiden LCST-Gele. Jetzt kommt es auf das Timing an: Nur das Muster des „schnellen“ LCST-Gels trägt die korrekte zweite Teil-Information. Bei 37 °C wird diese nach ca. einer halben Minute sichtbar, der komplette Code ist nun lesbar. Schon drei Minuten später ist aber auch das „langsame“ LCST-Gel trüb und fügt Fehlinformationen hinzu, die den Code wieder unlesbar machen. Ab 40 °C trüben sich beide LCST-Gele gleichzeitig. Zudem wird das UCST-Gel transparent und damit unlesbar.

Die Verschlüsselung kann also nur entziffert werden, wenn sowohl das spezifische Temperatur- als auch das Zeitfenster bekannt sind. Als Wärmequelle für die Decodierung können in diesem Beispiel eine Infrarot-Lampe, ein Wasserbad, ein Föhn und sogar der menschliche Körper dienen. Gegen das Verdunsten von Wasser versiegelt sind die kostengünstigen Label theoretisch für den Dauergebrauch geeignet.

Über die Autorin / den Autor
Das von Prof. Xudong Chen an der Sun Yat-sen University, Guangzhou, China, geleitete Optical Encryption Research Team konzentriert seine Forschungen auf die optische Manipulation von Materialien für Anwendungen im Bereich Informationsspeicherung, Verschlüsselung und Fälschungssicherheit auf Basis optischer Prinzipien kombiniert mit der strukturellen Kontrolle polymerer optischer Materialien auf mehreren Ebenen sowie dem Design von Geräten.
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