Oggetti di resina organica di stampa 3D con nanoparticelle inorganiche per misure anti-contraffazione
Al fine di mantenere le nostre parti stampate in 3D al sicuro da repliche illegali , ci rivolgiamo spesso a misure anti-contraffazione , come etichette di identificazione incorporate e codici QR , codici a barre e persino punti quantici , che sono piccoli nanocristalli prodotti da materiali semiconduttori. Ora, un gruppo di ricercatori dell’Università di Zhejiang in Cina sta studiando l’ utilizzo di nanoparticelle di upconversion (UC) per l’anti-contraffazione.
Il processo di luminescenza UC assorbe fotoni a bassa energia, convertendoli infine in quelli ad alta energia. Le nanoparticelle drogate con lantanidi vengono notate in più campi per il loro uso in applicazioni come l’imaging biologico, l’accumulo di energia solare, il rilevamento della temperatura puntuale e l’anti-contraffazione. Rendendo le materie prime, come le resine, funzionali attraverso l’uso di componenti con varie proprietà ottiche, magnetiche ed elettriche, possiamo aumentare le applicazioni dei prodotti finiti.
I ricercatori hanno pubblicato un articolo, intitolato ” Stampa 3D di compositi di resina drogati con nanoparticelle di upconversion per anti-contraffazione e rilevamento di temperatura “, che spiega il loro metodo per l’uso della tecnologia SLA per la resina organica di stampa 3D che era stata drogata con nanoparticelle UC inorganiche.
L’abstract dice: “Nel nostro processo, le nanoparticelle derivate dalla chimica umida NaYF 4 : RE (RE: terre rare) con emissione UC rossa, verde e blu sono state incorporate in una matrice di resina. Abbiamo stampato strutture 3D pre-progettate con alta precisione ed esaminato le proprietà di emissione UC. In un esperimento proof-of-concept, dimostriamo che gli oggetti stampati in 3D hanno un’affidabile contraffazione ottica basata sull’elevata dissimulazione in luce diurna e un’emissione UC multicolore eccitata da un laser vicino all’infrarosso a 980 nm. Mostriamo anche che la parte 3D con emissione UC può essere utilizzata per il rilevamento della temperatura raziometrico da 303.15 K a 463.15 K, rendendo possibile mappare la distribuzione della temperatura per studiare il processo di diffusione termica in oggetti complessi. ”
La stampa SLA 3D offre composizione polimerica con molta flessibilità e spazio di progettazione per le parti finali, e l’aggiunta di nanoparticelle UC nella resina polimerica può aumentare ulteriormente le applicazioni per UC.
“In questo lavoro, nanoparticelle UC di NaYb 0,99 Er 0,01 F 4 , NaYb 0,99 Er 0,01 F 4 e NaY 0,8 Yb 0,155 Tm 0,045 F 4 preparate da chimica umida sono state impiegate come emettitori ed è stata sintetizzata una sospensione di resina adatta per preparare campioni di prova e pre -architetture progettate con fori interni e strutture cave mediante stereolitografia “, hanno spiegato i ricercatori. “Questi compositi organici-inorganici mostrano un’emissione UC brillante sotto eccitazione di un laser a 980 nm e un’elevata dissoluzione alla luce del giorno. Rilevamento della temperatura raziometrico basato sulla dipendenza dalla temperatura del rapporto di intensità di due picchi di emissione dell’ErGli ioni 3+ sono stati presentati con successo. ”
Il team ha sintetizzato le nanoparticelle UC, quindi ha eseguito l’analisi della microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Le nanoparticelle vennero quindi disperse in IPDI e mescolate con HEMA, prima di aggiungere PEG; questi passaggi hanno permesso di aggiungere omogeneamente le nanoparticelle sintetizzate nel liquame, quindi sarebbe adatto per la stampa 3D SLA.
“La stereolitografia è stata eseguita con una stampante autoassemblata la cui potenza laser e velocità di scansione sono regolabili”, hanno scritto i ricercatori. “100 mm * 100 mm * 20 mm composti organici-inorganici cubici sono stati stampati per i seguenti test con una risoluzione di 0,1 mm. I campioni compositi sono trasparenti e incolori con sufficiente resistenza meccanica. ”
Dopo aver registrato gli spettri di emissione UC dei nanocompositi, hanno determinato che quelli con nanoparticelle UC avevano picchi di lunghezza d’onda “nelle regioni spettrali previste”.
C’è una crescente necessità di sviluppare tecnologie anti-contraffazione accessibili, economiche e personalizzate. I materiali luminescenti inorganici e organici basati sul processo di fotoluminescenza sono stati usati come inchiostri luminescenti prima e dimostrano emissione visibile a lunghezza d’onda lunga quando esposti a eccitazione a lunghezza d’onda più corta, ma questi sono facili da duplicare.
I materiali luminescenti NIR-visibili basati sulla luminescenza UC sono più difficili da preparare rispetto ai materiali luminescenti UV-to-visibili, che possono essere progettati con un colore di emissione a una specifica densità di energia di eccitazione; controllando la concentrazione di drogante degli ioni RE, hanno anche una durata regolabile della luminescenza. Ecco perché i ricercatori, come il gruppo dell’Università di Zhejiang, stanno studiando nanoparticelle UC per scopi anti-contraffazione.
“Una caratteristica sorprendente delle nanoparticelle di fluoruro drogate con lantanidi che usiamo è la loro forte emissione UC su eccitazione da luce NIR”, hanno spiegato i ricercatori. “Come mostrato in Fig. 4 , l’anello cavo contenente NaY 0,8 Yb 0,19 Er 0,01 F 4 nanoparticelle presenta una notevole emissione verde sotto l’eccitazione da un laser a 980 nm. Inoltre, l’anello drogato con nanoparticelle UC e l’undoped non sono distinguibili sotto l’illuminazione diurna. ”
Quindi, anche se i contraffattori sono in grado di produrre prodotti contraffatti di aspetto simile, potrebbero essere identificati rapidamente con un laser a 980 nm.
Strutture 3D complesse contenenti nanoparticelle UC, che mostrano l’emissione UC visibile sotto eccitazione di un laser a 980 nm.
I ricercatori hanno anche usato le loro nanoparticelle UC per scopi di rilevamento della temperatura.
Nel nostro esperimento, utilizziamo le intensità di fluorescenza da due livelli di energia ravvicinati: 2 H 11/2 e 4 S 3/2 in NaY 0,8 Yb 0,19 Er 0,01 F 4 per misurare la temperatura “, hanno spiegato i ricercatori. “Il laser a 980 nm con una potenza operativa di 3 W è stato utilizzato come fonte di eccitazione e gli spettri di emissione del campione sono stati registrati da 303.15 K a 463.15 K.”
La stabilità termica dei compositi resinosi è stata esaminata, e il team ha scoperto che da 303.15 K a 463.15 K, la perdita di peso del composito era piuttosto piccola, il che poteva essere dovuto all’umidità dell’aria evaporata e ai componenti non reagiti; in entrambi i casi, la sua capacità termica specifica non è cambiata.
“In sintesi, l’impasto resinoso contenente nanoparticelle UC adatte per la stereolitografia è stato sintetizzato con successo nel nostro esperimento”, hanno concluso i ricercatori. “Architetture 3D raffinate e sofisticate che esibiscono notevoli emissioni UC sotto la luce NIR sono state fabbricate dalla stereolitografia. La loro capacità anti-contraffazione è stata studiata ed i risultati hanno indicato che il loro occultamento alla luce del giorno e l’emissione ad alta luminescenza e multicolor UC sotto l’eccitazione a 980 nm sono affidabili. ”
I coautori del giornale sono Rongping Ni, Bin Qian, Chang Liu, Xiaofeng Liu e Jianrong Qiu.