四川大學宋飛教授團隊《Adv. Sci.》：具有時間/溫度控制信息加密功能的纖維素光子墨水
信息安全關乎人類生活、社會穩定乃至國家安全。響應型光子晶體可通過外界刺激改變自身的結構色，實現可視化信息加密。傳統的防偽技術受制于簡單的單通道解密方法，易被破解。近年來，多種刺激協同的加密/解密技術有利于提高信息安全性，但往往需要復雜的處理或昂貴的設備。因此，開發具有高安全性的加密材料以及精確但操作簡便的解密技術仍有不小挑戰。
四川大學化學學院環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室宋飛教授團隊致力于纖維素結構色材料的設計與功能化應用研究。針對纖維素納米晶材料，該團隊利用引入小分子化合物、高分子網絡及表面涂層等策略構建了柔性可拉伸的機械傳感結構色膜(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 5805-5811; ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 18484-18491; ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 46710-46718; Biomacromolecules 2022, 23 (10), 4110-4117)、有機溶劑選擇性響應的纖維素光子膜(Biomacromolecules 2022, 23, 1662-1671; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 30352-30361)和非虹彩結構色纖維素膜(Compos. Part B Eng. 2022, 229, 109456；ACS Sustain. Chem. Eng. 2022, 10, 10641-10648)。
近期，該團隊發現羥丙基纖維素(HPC)光子晶體可通過熱誘導相分離實現快速、線性和穩定的結構色轉變。形成的光子晶體從藍色轉變到紅色僅需12 s且具有良好的顏色變化可逆性。理論模擬結果表明，HPC和溶劑分子間的氫鍵數量對溫度的依賴性是造成快速的相分離行為和快速可重復溫度響應的主要原因。基于可逆的結構色轉變，該光子晶體可應用在溫度傳感器、智能裝飾和信息加密 (Chem. Eng. J. 2023, 453, 139835)。在此基礎上，為了克服受濁點溫度限制而響應溫度范圍窄的局限，該團隊利用丙二醇(PG)與HPC之間的強相互作用提高了HPC基光子晶體的響應上限溫度，開發了一種具有高安全性的光子墨水用于簡便的多維信息加密(圖1)。該光子晶體的響應溫度范圍和顏色轉變速率可通過HPC和PG的濃度予以調節(圖2)。值得注意的是，該光子晶體可作為墨水加工為各種復雜的圖案。憑借高透明度和響應溫度范圍的可控性，并結合多通道編碼技術，實現溫度依賴性的多維信息加密(圖3)。此外，利用響應中的顏色轉變速度差異，結合摩斯密碼加密方法，實現了時間依賴的多維信息加密(圖4)。這一發現為光子材料協同溫度和時間分辨信息編碼和高端防偽技術提供了新思路。
圖1.HPC/PG光子晶體的多維信息加密。（a）膽甾型HPC/PG光子晶體的示意圖；（b）溫度和（c）時間依賴的信息加密。
圖2.HPC/PG光子晶體的溫度響應性能。（a）不同溫度下HPC/PG30光子晶體顏色變化的光學照片和（b）對應的λmax變化；（c）不同溫度下的循環穩定性能；（d）不同PG濃度的HPC64/PG光子晶體顏色動態變化的光學照片和（e）對應的λmax隨時間的變化；（f）在循環溫度變化下的響應時間行為。
圖3.溫度依賴的多維信息加密。（a）光子晶體的圖案化；（b）光子晶體的分辨率；（c）光子晶體的透明性；光子晶體在（d）10、（e）40和（f）60℃時的UV-Vis透過率曲線；溫度依賴的多級信息加密的(g)示意圖和（h）照片。
圖4.時間依賴的多維信息加密。（a）時間依賴性加密的示意圖；（b）加密標簽的溫度響應速度；（c）HPC64/PG10和HPC64/PG30編碼的“123”信息和（d）以HPC64/PG20和HPC64/PG30編碼的“456”信息的解密過程；（e）使用HPC64/PG10、HPC64/PG20和HPC64/PG20構造的摩斯密碼的解密過程；（f）HPC/PG光子晶體的編碼能力。
該工作以“Sophisticated yet Convenient Information Encryption/Decryption Based on Synergistically Time-/Temperature-Resolved Photonic Inks”為題發表在《Advanced Science》上。文章第一作者是博士生李東，通訊作者是宋飛教授，該工作得到了國家自然科學基金聯合基金重點項目（U21A2096）經費支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206290
