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中科大鄒綱/張紅莉、蘇州實驗室陳忻 Nat. Commun.: 結合可編程結構色與可切換圓偏振發光的動態多模態信息加密
2025-03-12  來源:高分子科技

  信息存儲與安全始終是社會關注熱點。科研界多年來致力于開發能夠在反射、透射和熒光以及圓偏振發光(CPL)等光學通道,以實現多樣化信息加密和防偽。在前期的工作中,團隊發展了一系列不對稱光聚合新方法, 實現了具有復雜微納結構和手性光學性質梯度分布的共軛聚合物功能微圖案的可控制備(Nat. Commun., 2020, 11, 1188; Nat. Commun., 2023, 14, 6177Adv. Funct. Mater, 2025, 202501168),并初步應用于光學信息加密與防偽領域。相較于單一結構色、熒光或CPL的傳統防偽技術,雙模/多模防偽材料可顯著提升防偽標簽的信息存儲容量與安全等級。然而,結構色、熒光(尤其是CPL)等光學通道在動態調控過程中的互相干擾使得獨立調制極具挑戰。當前研究多聚焦于克服正交調控的局限性,開發兼具可編程結構色、刺激響應熒光和CPL特性的防偽材料,對實現動態多模態信息加密具有重要意義。


  針對上述問題,中科大鄒綱教授、張紅莉副研究員、蘇州實驗室陳忻研究員聯合團隊創新性地提出結合可編程結構色與可切換圓偏振發光的動態多模態信息加密策略,實現了結構色信息與熒光(含CPL)圖案的獨立調控,且利用微結構設計或乙腈溶劑處理實現了選擇性地信息顯影或隱藏,整體實現了高階信息加密和動態防偽。



  該研究以題為“Dynamic multimodal information encryption combining programmable structural coloration and switchable circularly polarized luminescence”的論文發表在《Nature Communications》上。


  圖1展示了結合可編程結構色、可調熒光與CPL實現動態多模態信息加密整體研究策略。上層聚二乙炔(PDA)凝膠微陣列通過多階段光刻工藝精準構筑,具有二維可編程光子圖案,可顯示預設的結構色信息。例如,作者成功制備了由垂直取向的"大象"圖案和平行取向的"熊貓"圖案組成的雙周期PDA微陣列,該體系在旋轉時可實現"大象""熊貓"的趣味結構色圖像切換。利用絲網印刷技術制備含鈣鈦礦納米晶的柔性熒光圖案,疊加轉移螺旋堆疊銀納米線雙分子層賦予其光學活性。通過鹵素陰離子交換過程,熒光、CPL圖案顏色可以調控,CPL手性方向實現反轉。通過調控頂部PDA微陣列周期性結構的縱橫比,可選擇性隱藏或顯影復合膜的加密的結構色與熒光/CPL信息。此外,在乙腈等外界刺激下,體系可通過頂部PDA微陣列周期性結構的動態調控進一步切換結構色與熒光/CPL性能的"開啟/關閉"


圖一多模態動態信息加密系統的設計策略。


  其中,上層微圖案層由光柵掩膜法制備,改變觀察角a或入射光方向bPDA微圖案展現出不同虹彩結構色。根據布拉格定律,其角度依賴虹彩結構色受微陣列周期結構、入射光方向和觀察角度共同調控,通過調控入射光方向或者乙腈溶劑處理可實現圖像在特定區域的可逆隱藏或顯示。


  下層手性熒光層為鈣鈦礦納米晶疊加螺旋堆疊銀納米線陣列(TNA)。螺旋堆疊使非手性鈣鈦礦(CsPbX3, X = Cl, Br, I )熒光層產生CPL信號,發光不對稱因子最高可達±1.3,借助左/右旋圓偏振濾光片(CPF)可實現手性的裸眼識別。鈣鈦礦納米晶體中的鹵素陰離子交換可用于進一步調節其熒光信息,包括圓偏振熒光顏色和手性方向。


  作者深入研究了上層微結構如何影響下層的熒光和CPL特性以及動態調制的機制。其結構色與熒光/CPL圖案間的串擾可通過調控上層二乙炔有機凝膠微陣列二維周期結構的縱橫比實現精準控制,結合乙腈處理可選擇性隱藏或顯影加密信息,從而顯著提升復合薄膜的信息加密容量。將可編程結構色與可切換圓偏振發光相結合策略,可以制備動態多模態信息加密標簽,且能夠實現多種光學模式之間的獨立調制,有效提高信息存儲容量,為高階信息加密與防偽提供了新思路。


圖二結合結構色,熒光和CPL的多模態信息加密的應用實例。


  該文章第一作者為中國科學技術大學馮澤雨博士、李家磊碩士,通訊作者為中國科學技術大學鄒綱教授、張紅莉副研究員,蘇州實驗室陳忻研究員。未來該研究團隊希望借助數據驅動的人工智能方法,克服傳統手性光學材料設計中結構信息精度差、效能預測難等瓶頸,融合多種傳統防偽模式進行組合,精準指導材料智能創制,實現更高性能的信息加密和高階防偽等應用。


  該工作得到國家科技重大專項、中國科學院戰略重點研究項目、國家自然科學基金和中央高校基礎科研基金等項目的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-57649-1

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(責任編輯:xu)
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