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Doppelt sichere Geheimbotschaften dank Polymerchemie Wie man mit Polymeren Informationen verschlüsselt

Quelle: Pressemitteilung

Wer Informationen vor Dritten verbergen will, greift auf Verschlüsselungsmethoden zurück. So können etwa Geheimtinten eine Nachricht verbergen, bis sie durch Wärme sichtbar gemacht wird. Ein Forscherteam aus China hat nun eine doppelte Verschlüsselung entwickelt, die nur in einem spezifischen Temperatur- und Zeitfenster gelesen werden kann.

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Botschaften verschlüsseln kann auch in der analogen Welt relevant sein. Mit den geeigneten chemisch-physikalischen Methoden lassen sich Nachrichten so verbergen, dass nur der Adressat mit dem richtigen „Schlüssel“ den Inhalt lesen kann (Symbolbild).
Botschaften verschlüsseln kann auch in der analogen Welt relevant sein. Mit den geeigneten chemisch-physikalischen Methoden lassen sich Nachrichten so verbergen, dass nur der Adressat mit dem richtigen „Schlüssel“ den Inhalt lesen kann (Symbolbild).
(Bild: © Dmitriy - stock.adobe.com.jpeg)

Guangzhou/China – Neben digitalen spielen physikalische Verschlüsselungsmethoden eine wichtige Rolle. Deren Dekodierung basiert typischerweise auf externen Reizen wie Licht oder Wärme, Beispiel dafür wären „unsichtbare“ Tinten, die durch Wärme sichtbar werden. Mehrfache Reize bieten mehr Sicherheit, machen aber das Auslesen mühsam und aufwändig. „Nimmt man die Zeitebene dazu, lassen sich Sicherheit und Einfachheit besser vereinen“, schreibt das Team um Zhikun Zheng, Xudong Chen und Wei Liu von der chinesischen Sun Yat-sen University. „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 können die Wissenschaftler einstellen, wie schnell die Phasenumwandlung abläuft.

Decodieren in mehreren Stufen

Als Beispiel für ein verschlüsseltes Etikett verwendete das Team transparente Acryl-Plättchen mit Vertiefungen in Form von QR-Codes (vgl. Symbolbild). Drei verschiedene Gele wurden in definierte Bereiche des Musters gegeben: ein UCST-Gel mit einem Phasenwechsel um 40 °C (im Symbolbild blau) und zwei LCST-Gele mit einem Phasenwechsel um 33 °C – eines mit schnellem (magenta) und eines mit langsamem (dunkelrot) Phasenwechsel.

Symbolbild: Ein QR-Code ließe sich mit den verschiedenen Polymerlösungen verschlüsseln. Nur wenn die richtige Temperatur und das richtige Zeitfenster gewählt ist, sind alle relevanten Informationen sichtbar (blaue und magentafarbene Teile). Bei zu hoher Temperatur oder zu langem Erwärmen verfälschen Fehlinformationen (dunkelrot) das Bild.
Symbolbild: Ein QR-Code ließe sich mit den verschiedenen Polymerlösungen verschlüsseln. Nur wenn die richtige Temperatur und das richtige Zeitfenster gewählt ist, sind alle relevanten Informationen sichtbar (blaue und magentafarbene Teile). Bei zu hoher Temperatur oder zu langem Erwärmen verfälschen Fehlinformationen (dunkelrot) das Bild.
(Bild: VCG)

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 ist jedoch noch nicht auszulesen. Erst Erwärmen auf mehr als 33 °C sorgt für eine Trübung der beiden LCST-Gele. Jetzt kommt es allerdings 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.

Mit einer chemischen Doppelverswchlüsselung lassen sich z. B. QR-Codes verschlüsseln.
Mit einer chemischen Doppelverswchlüsselung lassen sich z. B. QR-Codes verschlüsseln.
(Bild: Angewandte Chemie, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202117066)

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.

Originalpublikation: Dongyang Lou, Dr. Yujing Sun, Jian Li, Yuanyuan Zheng, Zhipeng Zhou, Dr. Jing Yang, Chuxuan Pan, Prof. Zhikun Zheng, Prof. Xudong Chen, Prof. Wei Liu: Double Lock Label Based on Thermosensitive Polymer Hydrogels for Information Camouflage and Multilevel Encryption, First published: 01 February 2022; DOI: 10.1002/ange.202117066

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