Nano-Micro Letters | 智能水凝胶的信息安全：光图案化与多刺激响应结构色

光子结构色彩具有高分辨率和动态响应性，在信息安全领域具有积极前景。然而，传统图案化方法常受设备成本高昂和色彩输出单调的限制，限制了其广泛应用。为解决这些问题，本文提出了一种基于光诱导化学交联的新型多色图案化方法。通过将光启发的交联分子引入抗蛋白石水凝胶，我们开发出一种可以通过光固化进一步调控的薄膜，实现“先形成薄膜，再进行图案化”的方法。通过该方法产生的结构色水凝胶可以显示多色图案，最小线宽为15微米，显著提升了其信息承载能力。此外，紫外线可以增加交联程度，从而抑制膨胀行为，增强拉伸强度，减少断裂时的伸长，并使反蛋白石结构的颜色向蓝色移动或消失。该方法对应力、温度和溶剂具有固有的响应性，支持动态信息显示，并具有极佳的稳定性（可稳定循环超过100次）。这项工作引入了一种对刺激响应结构颜色进行图案化的新方法，并为其在无墨印刷、信息加密和防伪等应用中的应用开辟了新可能。
该研究以题为“Information Security with Smart Hydrogels: Photo-Patterning and Multi-Stimuli Responsive Structural Color”发表在Nano-Micro Letters上。

摘要

光子结构彩色材料凭借高分辨率和动态响应特性，在信息安全领域展现出广阔应用前景。然而传统图案化方法常受设备成本高昂及色彩输出单一性限制，制约了其广泛应用。为解决这些问题，本文提出基于光诱导化学交联的新型多色图案化方法。通过将光引发交联分子引入抗蛋白石水凝胶中，我们成功制备出可通过光固化进一步调控的薄膜结构，实现了“先成膜后图案化”的工艺流程。采用该方法制备的结构化彩色水凝胶可呈现多色图案，最小线宽达15 μm ，显著提升信息承载能力。此外，紫外线辐射可增强交联度，从而抑制溶胀行为、提高拉伸强度、降低断裂伸长率，并使反蛋白石结构颜色向蓝色偏移或完全消失。该方法对应力、温度及溶剂具有固有响应特性，可实现动态信息显示并具备优异稳定性（循环稳定性超过100次）。本研究开创了刺激响应型结构彩色图案化新方法，为无墨印刷、信息加密及防伪技术等应用领域开辟了新可能。

总结

本研究提出一种“先成膜、后图案化”的反蛋白石结构水凝胶制备策略，用于构建多刺激响应的结构色薄膜。通过在丙烯酸-丙烯酰胺共聚体系中引入光交联分子4-丙烯酰氧基二苯甲酮，经模板自组装与刻蚀得到水凝胶（PAMBP）。该薄膜在干态下无色透明，遇水后迅速显现结构色，响应时间小于0.5秒，且循环稳定性超过100次。紫外光辐照可诱导二苯甲酮基团发生夺氢反应，增加交联密度，从而抑制水凝胶溶胀、提升拉伸强度、降低断裂伸长率，并使反蛋白石结构色发生蓝移或消失。利用掩模版进行区域选择性光交联，可在同一薄膜上实现多色图案化，最小线宽达15微米，显著提高了结构色的信息编码能力。

该水凝胶对应力、温度、pH及醇-水溶剂均表现出灵敏的光学响应：拉伸时结构色蓝移（灵敏度2.5 nm/%应变），温度升高或pH增加导致红移，乙醇浓度变化则先红移后蓝移。基于这些特性，研究设计了多种防伪与加密演示：双色蝴蝶图案在干态下无色、遇水显色，拉伸时不同交联区域变形差异可用于二次验证；校徽图案在不同溶剂中呈现多级颜色切换；MSI条码在湿态下显示伪信息，拉伸后还原真实编码。该工作通过光控交联实现了结构色水凝胶的时空可控图案化，为无墨印刷、信息加密及智能防伪提供了新思路。

参考消息：

DOI: 10.1007/s40820-026-02130-x