Einzigartige Muster zur Bekämpfung von Produktfälschungen

In einer multinationalen Zusammenarbeit haben Forscher eine neue Methode entwickelt, mit der wertvolle Objekten vor Fälschungen geschützt werden können.

Es handelt sich hierbei um einzigartige reflektierende Muster, die an wertvollen Objekten angebracht werden können. Diese Muster können weder geklont noch kopiert werden. Daher könnten sie verwendet werden, um Produkte eindeutig zu kennzeichnen und so Fälschungen zu bekämpfen. 

In der heutigen, globalisierten und vernetzen Welt ist die Fähigkeit, Objekte und Personen eindeutig zu identifizieren, auf vielen Ebenen zu einer sicherheitsrelevanten Aufgabe geworden. Beim Kauf von hochwertigen Objekten ist eine Authentifizierung beispielsweise besonders wichtig. Käufer und Verkäufer haben ein gemeinsames Interesse, sicherzustellen, dass die gelieferten Waren genau das sind, was bestellt wurde, und keine Kopien. 

In manchen Fällen wird der Besitzer des Objekts direkt identifiziert, beispielsweise durch Reisepass, Personalausweis und Zugangskarten. Derzeit erlebt die Authentifizierung durch biometrische Daten, wie Fingerabdrücke oder Iriserkennung, einen Aufschwung. Zugangskarten werden hauptsächlich verwendet, um den Zutritt in Hochsicherheitsbereiche zu kontrollieren, während Fingerabdrücke meistens den Zugriff auf private Geräte wie Smartphones ermöglichen.

Gestohlene Kopien sind dauerhafte Gefahr

Allerdings sind die Strategien zur Authentifizierung nicht unüberwindbar: Objekte können gefälscht werden, Karten werden regelmäßig geklont und sogar Fingerabdrücke können gestohlen werden. Kürzlich erlangte ein Fall kopierter Fingerabdrücke wegen des damit verbundenen erheblichen Risikos große Aufmerksamkeit: Menschen können ihre Fingerabdrücke nicht für ungültig erklären noch können sie sie erneuern, sodass die gestohlenen Kopien auf ewig eine Gefahr darstellen.

Unter diesem Aspekt wäre es eine gute Lösung, auf nicht klonbare, nicht-biometrische physische Merkmale zurückzugreifen, die so einzigartig sind wie die biometrischen Elemente unseres Körpers, aber in großen Mengen zur Verfügung stehen. Damit sich solch eine Lösung wirtschaftlich lohnt, müssen die Produktionskosten für diese eindeutigen Merkmale niedrig sein.

Sphären reflektieren spezifische Farben wie Schmetterlingsflügel

Diese Attribute führen zu dem Konzept der Physical Unclonable Functions (PUF). Diese physischen, nicht klonbaren Funktionen sind Objekte, die auf eine einzigartige Weise auf physikalische Einflüsse verschiedener Art reagieren. So streuen sie beispielsweise Licht in unvorhersehbare Richtungen oder glitzern in verschiedenen Farben, wenn sie beleuchtet werden, reagieren mit unvorhersehbarer Verzögerung oder in zufälligen Zuständen. PUF befinden sich heutzutage in Mikrochips, um sicherzustellen, dass die Siliziumteile aus einem autorisierten Werk stammen. Seltener sind optische PUF. Sie generieren eine Reaktion auf Lichteinfall, die von einer Kamera erfasst werden kann, um den Gegenstand, an dem sich die PUF befindet, zu authentifizieren.

In einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen der Forschungsabteilung für Physik und Werkstoffwissenschaften (PhyMS) und dem Interdisciplinary Centre for Security and Trust (SnT) an der Universität Luxemburg schlagen Dr. Gabriele Lenzini (SnT) und die Gruppe von Prof. Dr. Jan Lagerwall (PhyMS) einen vollständig neuen PUF-Typ vor, der auf den besonderen Optiken von Sphären sogenannter cholesterischer Flüssigkristalle basiert. Aufgrund der selbstaggregierenden Periodenstruktur, die für diese Art von Flüssigkristallen typisch ist, reflektieren die Sphären spezifische Farben in derselben Weise wie Schmetterlingsflügel oder Pfauenfedern.

Zufälliges Muster, das sich nicht kopieren lässt

Mit der Unterstützung der Photonik-Experten Prof. Dr. Irena Drevensek-Olenik (Universität Ljubljana) und Prof. Dr. Romano Rupp (Universität Wien) hat das Team eine detaillierte Analyse der Optiken einer Vielzahl derartiger Sphären durchgeführt. Sie fanden heraus, dass die Sphären untereinander in unerwarteter Weise kommunizieren. Diese Kommunikation durch Licht führt zu einem einzigartigen farbigen Muster, das dynamisch durch eine Änderung der Art, wie die Sphären beleuchtet werden, verändert werden kann. Da verschiedene Arten von Flüssigkristallsphären zufällig in einem Merkmal angeordnet werden können, sind die von den Wissenschaftlern generierten Muster ebenfalls zufällig. Es ist daher unmöglich, das Merkmal und den entsprechenden Mustersatz zu kopieren. Dadurch ist sie als PUF zur Authentifikation von Objekten hochgradig attraktiv.

In ihrem Artikel, der in dem renommierten Wissenschaftsmagazin Scientific Reports erschienen ist, stellen die Forscher außerdem eine Technik vor, mit der eine adäquate Robustheit der Sphären sichergestellt wird, sodass sie problemlos zu einer PUF-Marke verarbeitet werden können, aber trotzdem noch so empfindlich sind, dass ein Manipulationsversuch an dem Merkmal die Sphären zerstören und das Merkmal damit ungültig machen würde. Darüber hinaus haben sie eine neue Methode für die Herstellung der Sphären entwickelt, mit der die Produktionsdauer drastisch reduziert wird. Dazu verwendeten sie einen Mikrofluidik-Prozess, der kostengünstig hochskaliert werden kann. Die Autoren der Studie diskutieren, wie diese neue Kategorie von PUF in verschiedenen Sicherheitsanwendungen genutzt werden kann. Damit tragen sie dazu bei, ein Problem von großer gesellschaftlicher Bedeutung zu lösen.

Autor: Uni Luxemburg
Foto © Universität Luxemburg