加州大学洛杉矶分校贺曦敏团队：“水解密”结构色材料 | 结构色主动关停和可重复开启

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结构色因其具有不褪色、高对比度、彩虹效应等优点，被广泛应用于防伪、显示、装饰等领域。其灵感来源于昆虫和鸟类体表亚显微结构如嵴、纹、沟缝或鳞片等使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉从而产生的各种颜色。因此，在不破坏其微观结构的前提下，结构色材料如光子晶体等常常难以实现其颜色或图案的主动关停及重复开启，且难以完全隐藏图案，从而无法应用于信息和图案的加密。

近期，加州大学洛杉矶分校贺曦敏团队通过结合刺激响应型水凝胶(stimuli-responsive hydrogel)和二维衍射光栅(diffraction grating) 制备出具有可重复启停结构色的复合材料。该材料可实现100% 到 0% 结构色可见度的快速转变（< 1s），从而实现了高对比度可视性以及完全加密性的结合。在该研究中，“水解密”结构色材料(Hydrocipher)在湿态下显示高对比度图案，在干态下无对比度且完全透明，从而完美隐匿所加密图文。这一技术的加密-解密可简便快速的切换，只需水或在材料表面呼吸即可完成。在传感、防伪、文件加密等方面有着广泛应用前景。

图1 “水解密”结构色材料制备与加密解密演示

如图1所示，“水解密”结构色材料Hydrocipher由水凝胶包覆在弹性微柱阵列形成的二维光栅而构成。形成二维光栅的材料（环氧树脂）不可膨胀，具有稳定的折射率；而其表面的水凝胶层（聚丙烯酰胺）在干态下折射率接近环氧树脂，但在湿态下远小于环氧树脂。这种折射率的匹配与差异使得该材料在干态下浑然一体，不产生结构色；而在湿态下，则可与入射光发生强烈相互作用，产生结构色。与此同时，水凝胶层在干燥与溶胀时带来的体积变化会驱动微柱产生可逆的弯曲与直立，相应导致二维光栅周期性结构的破坏与恢复，从而形成结构色可逆的消失和产生。

图2 “水解密”结构色材料遇水解密过程

视频1 水解密过程中二维光栅形态变化

通过测量反射光强度以及使用共聚焦显微镜观察二维光栅结构变化，可发现该材料解密速度与水凝胶层厚度有关，通过调控水凝胶层厚度可实现1秒内解密。根据这一趋势，该研究进一步缩小二维光栅尺度与水凝胶层厚度，实现了湿度响应的“水解密”结构色材料，使得快速解密与完美加密仅在呼吸之间。

视频2 湿度响应“水解密”结构色材料

这一工作提出了一个普适的设计原理: 水凝胶包覆在可形变的微柱阵列光栅上。外界环境的变化可同时控制两个因素的变化，从而协同产生图案加密-解密的主动切换：凝胶的缩胀可以1）驱动微柱（直立的规整阵列呈现结构色，而弯曲的不规则阵列使结构色消失），同时 2）改变凝胶本身的折射率（水凝胶膨胀时其折射率远远小于包埋于其中的微柱的折射率，而水凝胶膨胀时其折射率接近微柱的折射率）。

该研究以“Hydrocipher: Bioinspired Dynamic Structural Color-based Cryptographic Surface”为题，发表在Advanced Optical Materials上（DOI: 10.1002/adom.201901259）。论文第一作者为加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系博士生Jaeho Choi 和华牧天，通讯作者为加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系贺曦敏教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201901259

课题组网页：

http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html

作者介绍：

贺曦敏是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的助理教授和加州纳米体系研究所（CNSI）的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研包括刺激响应性材料，仿生功能材料，化学和生物传感器，驱动器等，并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她获得的荣誉包括美国CIFAR Azrieli Global Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) Outstanding Youth Award, National Science Foundation CAREER Award, Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award, Hellman Fellows Award, 以及UCLA Faculty Career Development Award. 她的主要研包括生物启发的功能材料，特别是刺激响应性水凝胶和智能材料用于化学和生物传感、软体机器人和能源领域。她关于自调制材料和化学-机械分子分离等研究获得了一系列地区和国际的奖励，并且受到了百余家新闻媒体报道。

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