9 оттенков серого и тетрагерцевые колебания

Немного углерода и серебра, чуть-чуть метаматериалов, обычный струйный принтер и чернила из онлайн-магазина — всего этого хватит, для того чтобы сделать напечатанное невидимым. Ну, или почти невидимым. Как это работает, что здесь общего с детскими играми в шпионов и симпатией к симпатическим чернилам, рассказывает Indicator.Ru.

От лимона до серебра: игры в шпионов как путь в науку

Многие из вас слышали о невидимых, или симпатических, чернилах, а некоторые даже изготавливали их в детстве из лимонного сока. Оказывается, это на первый взгляд детское увлечение может быть вполне себе научным занятием. Серебро и углерод помогли ученым из Оптического общества (OSA, офис находится в Вашингтоне) создать доступные и недорогие симпатические чернила, проявляющиеся только при определенном освещении. Ими можно печатать на обычном принтере.

«Мы использовали чернила из серебра и углерода, чтобы напечатать изображение, состоящее из маленьких палочек толщиной в микрон и высотой около миллиметра каждая, — рассказал руководитель исследовательской команды Аджай Нахата из Университета Юты. — Мы обнаружили, что изменение концентрации серебра и углерода в каждой полоске меняет ее проводимость лишь на небольшую величину, и на глаз этого не определить. Пропуская сквозь ряд линий тетрагерцовое излучение с правильной поляризацией и нужной частотой, можно добыть информацию, закодированную в проводимости».

Новый метод был продемонстрирован в статье, опубликованной в журнале Optica. С помощью тонкой и незаметной градации полос ученые зашифровали черно-белые и 64-цветные коды и даже вставили в одно изображение два кода, каждый из которых проявлялся только при излучении определенной поляризации. Невооруженным глазом можно увидеть лишь серии идентичных линий, тогда как с помощью освещения лучами с частотой колебаний в тетрагерцевом диапазоне изображение становится ярким и отчетливым.

Метаматериалы в стеганографии

Исследование лежит в плоскости стеганографии (тайнописи), которая помогает не просто зашифровывать текст послания, а скрыть сам факт его наличия. Ученые предложили делать это с помощью изменения проводимости чернил.

Электропроводность определяется наличием в составе чернил жидкости, используемой для печати, посторонних примесей, в том числе солей и металлов. Таким образом, концентрация серебра и углерода в чернилах может изменять их электрические свойства.

Научив стандартный принтер ценой менее $60 (около 3800 рублей — прим. Indicator.Ru) управляться с углеродно-серебряными чернилами, которые, как отмечают авторы работы, можно свободно заказать в специализированных онлайн-магазинах, физики ожидали увидеть градацию проводимости чернил. Добиться этого обычно довольно сложно, поскольку используемые техники создания метаматериалов (композиционных материалов, свойства которых больше зависят от их искусственной периодической структуры, чем от свойств составляющих их элементов) требуют дорогого оборудования, способного располагать наночастицы в нужном порядке, чтобы материал приобрел заданные характеристики.

Для демонстрации своей техники ученые напечатали три типа QR-кодов 72х72 пикселя. При печати одного кода использовалось 9 различных уровней проводимости, каждый из которых кодировал один из уровней серого. Когда они проявили коды тетрагерцевым излучением, только у 2,7% линий уровень проводимости отличался от задуманного. Для печати двух закодированных изображений в одном поле использовалось наложение полосок крест-накрест, и каждая картинка читалась с помощью нужной поляризации.

Вдохнуть жизнь и цвет в невидимую кодировку

Как же физики смогли создать цветной код? Каждый пиксель изображения был нарисован с использованием полосок трех различных длин, которые в разных пикселях отличались по проводимости.

Упорядочивая полоски с минимизацией ошибок, исследователи создали три пересекающихся QR кода, каждый из которых обозначал определенный цветовой канал. Это позволило получить в сумме 64 цвета, и, по словам ученых, это еще не предел.

Обычные доступные покупателям принтеры позволили достичь разрешения в 100 микрон. По словам изобретателей, нетрудно повысить разрешение до 20 микрон, купив такой же доступный в широкой продаже принтер, но чуть дороже.

Третрагерцевые волны были выбраны для прочтения закодированной информации из-за того, что именно этот диапазон наиболее подходит для получения изображения с таким же разрешением, с которым печатают стандартные струйные принтеры. Сейчас ученые работают над созданием техники печати изображений, проявляющихся при воздействии длин волн видимого света, что требует конструирования новых принтеров с более высоким разрешением печати. Также группа работает и над повышением безопасности шифровки, придумывая, как еще больше усложнить задачу чтения. Одним из вариантов, который они предложили, является нагревание или освещение лучами определенной длины волны перед тем, как проявить изображение в тетрагерцевом диапазоне.