上海交大刘河洲团队 AFM：受纸张结构启发，制备出具有溶剂诱导可逆信息记录，自加密和多重解密的多响应水凝胶
随着信息技术的飞速发展，我们在日常生活中感受到信息获取便捷的同时，也同时受到各种无用信息，以及信息泄露带来的困扰。因此具有信息记录，加密和解密功能的信息存储材料的研发具有十分重要的意义。传统的纤维素基纸张虽然价格低廉，记录方便，但是由于单一功能的信息记录，缺乏实时的信息加密和解密，重复使用率低等问题而无法作为一种多功能的信息存储介质。目前，荧光材料，刺激响应基体，可擦写基底等信息存储材料的出现在一定程度上缓解了这些问题，但是其信息分辨率低，信息安全性依然不足。如何设计具有高分辨率的信息记录和多级信息保护功能的信息存储材料仍是一个难题。
近日，上海交通大学刘河洲教授、陈玉洁副研究员和杨秩副教授团队基于目前普遍使用纸张的结构启发，通过紫外聚合的方式将纳米纤维素（NC）引入聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）中，制备出一种具有优异力学性能，溶剂诱导的具有可逆信息记录，自加密和多重解密的NCPN水凝胶材料。类似于纸张结构中的纤维素增强相以及填料的功能相，在NCPN 水凝胶基体中，NC充当增强相，以实现所需的机械性能和表面粗糙度。PNIPAM作为功能相响应外界刺激，实现信息记录、自加密和多重解密。基于凝胶体系内部独特的亲水和疏水结构，乙醇和其他极性溶剂可作为特殊“墨水”，通过改变体系临界相转变温度（LCST），实现NCPN水凝胶可重复，稳定的透明-浑浊-透明的改变，并且溶剂刺激透明后的凝胶可以在水中重复这种变化而恢复到其初始状态，整个过程重复20次而不发生明显的物化性质的改变（图1）。
图1. NCPN凝胶（a）在乙醇和水中透明度改变和(b)在乙醇和水中的20次循环稳定性
基于这种可重复的透明度改变，不同类型的信息处理模型被设计出来，并表现出稳定，可调节，可重复，高精度的信息加工能力（图2-图4）。
图2. (a) 使用乙醇书写的信息记录过程示意图。(b) 使用乙醇书写记录数字信息的光学图像。 (c) 受雕版印刷技术启发，通过乙醇印刷记录信息示意图。(d) 通过乙醇印刷在水凝胶表面上记录不同图案的光学图像。
图3. (a) 二维码信息加解密行为示意图。 (b) 乙醇和水刺激实现的二维码信息加解密行为，比例尺为1 cm。(c) 基于乙醇浸泡和空气环境下的二维码信息加密和解密，比例尺为1 cm。
图4. (a) 信息记录、自加密和热解密过程的示意图。(b) 加密图案“8”在热刺激下的解密过程，比例尺为 1 cm。(c) 加密汉字“三”在热刺激下的逐步解密过程，比例尺为 1 cm。
此外，除了乙醇和PNIPAM，其他具有相似结构的极性溶剂和聚合物所设计的体系，也观察到类似的透明度变化，进而说明所设计刺激响应体系具有优异的普适性和广泛的使用范围。
图5. (a) NCPN水凝胶在不同极性溶剂中的透明度变化的光学图像，比例尺为 1 cm。(b) NCPN水凝胶在非极性溶剂中的透明度变化的光学图像，比例尺为 1 cm。(c) PEDA水凝胶在异丙醇溶剂中的透明度变化的光学图像，比例尺为 1 cm。
以上研究以“Paper-Structure Inspired Multiresponsive Hydrogels with Solvent-Induced Reversible Information Recording, Self-Encryption, and Multidecryption”为题发表在Advanced Functional Materials （DOI: 10.1002/adfm.202201009），上海交通大学材料学院博士研究生陈震为第一作者，上海交通大学刘河洲教授、陈玉洁副研究员和杨秩副教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发项目和上海市科技重大专项的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201009
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