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  光子晶體材料以其絢麗的結構色以及多響應性能在功能性材料領域展現出巨大潛力。將刺激響應物質與光子晶體結合，利用其獨特的光學性能，構建具有多重響應光子晶體材料，可在防偽材料、顯示材料和傳感器等方面具有應用前景。

  北京化工大學材料科學與工程學院魏杰教授團隊在響應型光子晶體及信息編碼方面取得了系列研究進展（Chemical Engineering Journal, 2024, 480, 148185；J Colloid Interface Sci 2021, 592, 249-258; ACS Applied Material Interfaces 2020, 12 (18), 20867-20873; ACS Applied Nano Materials 2023, 6(16), 14702-14709；ACS Applied Polymer Materials, 2023, 5, 1, 1002-1013；Langmuir 2022, 38(46), 14387?14399）。基于前期研究工作，近日該團隊設計并制備了一種具有三波段光響應的光子晶體材料（TRPCs），通過UVC、UVA和NIR三波段光照調控，實現了信息的動態寫入、多級編碼及高安全性防偽應用。該研究結合核殼結構納米粒子（CISNPs）的改性設計與光響應分子的光子間隙填充，突破了傳統光子晶體功能單一的局限，為信息存儲與顯示技術提供了全新解決方案。

圖1.三波段光響應光子晶體的構建及響應原理

  該研究團隊采用半連續乳液聚合法，制備出具有獨特核-中間層-殼結構的PS-PMMA/SMC納米粒子（如圖1）。通過將光響應分子SMC接枝到納米粒子表面，再配合熒光胺和乙二炔分子的引入，使材料能夠對不同波段的光線產生精準響應。并且這種材料可以通過簡單的噴涂工藝實現大面積制備，大大提升了實用價值。在性能表現上，這種光子晶體材料展現出了"光控變色"的神奇特性。在UVC光照射下，材料會顯示出藍色圖案；當改用NIR光照射時，藍色會轉變為紅色；而在UVA光照射下，材料還能同時激發出藍色和紅色的熒光。由于光產胺分子的分解以及乙二炔的聚合都是不可逆的，因此光子晶體三波段光響應TRPCs不具備重復性。圖2和圖3展示了三波段光響應光子晶體TRPCs的響應行為，通過不同的光照對光子晶體顏色以及其蘊含的信息進行調控從而實現多級響應模式。

圖2. 改性納米粒子引起的光子晶體的響應行為研究

圖3. 光子間隙DA引起的光子晶體的響應行為研究

  根據三波段光響應光子晶體的響應性能，設計并制備了可書寫屏幕和多重響應信息編碼。根據TRPCs的制備流程，作者將熒光胺和乙二炔溶液制成墨水在光子晶體上寫入信息并設計了可用于信息寫入的屏幕（圖4），初始狀態信息隱藏，在UVC、UVA、NIR三種波段的光照過程中完整信息將逐步顯示出來。進一步將TRPCs顏色與二進制編碼結合進行多重信息編碼（圖5）。三種波段光照可引起顏色發生變化從而得到不同的數字信息，從而顯示出多級復雜信息模式，實現多級信息編碼和圖案化顯示功能。由于TRPCs光響應過程的不可逆性，還可以用于制作具有多重防偽特征的一次性標簽，進一步用在高端防偽領域。

圖4. 三波段光響應光子晶體用于信息寫入屏幕

圖5. 三波段光響應光子晶體用于二進制信息編碼

  綜上，本研究通過接枝改性納米粒子和填充光子帶隙將光響應物質引入光子晶體之中，成功賦予光子晶體三波段光響應能力，解決了傳統材料響應維度不足的難題。通過UVC、UVA、NIR三波段光照顯示出不同的信息輸出，進而用于信息寫入與顯示，設計并實現了多重信息編碼及防偽應用。其不可逆反應特性雖限制重復寫入，卻為一次性防偽提供了天然安全保障。

  該論文發表在《Chemical Engineering Journal》，題為“Tri-band Responsive PS-PMMA/SMC Photonic Crystals for Real-Time Information Writing and Coding”，論文第一作者為北京化工大學博士研究生陳宜萍，魏杰教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金（51873009）和北京市自然科學基金（2192042）資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165374