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  結(jié)構(gòu)色因其具有不褪色、高對比度、彩虹效應(yīng)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于防偽、顯示、裝飾等領(lǐng)域。其靈感來源于昆蟲和鳥類體表亞顯微結(jié)構(gòu)如嵴、紋、溝縫或鱗片等使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉從而產(chǎn)生的各種顏色。因此，在不破壞其微觀結(jié)構(gòu)的前提下，結(jié)構(gòu)色材料如光子晶體等常常難以實現(xiàn)其顏色或圖案的主動關(guān)停及重復(fù)開啟，且難以完全隱藏圖案，從而無法應(yīng)用于信息和圖案的加密。

  近期，加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏團隊通過結(jié)合刺激響應(yīng)型水凝膠(stimuli-responsive hydrogel)和二維衍射光柵(diffraction grating) 制備出具有可重復(fù)啟停結(jié)構(gòu)色的復(fù)合材料。該材料可實現(xiàn)100% 到 0% 結(jié)構(gòu)色可見度的快速轉(zhuǎn)變（< 1s），從而實現(xiàn)了高對比度可視性以及完全加密性的結(jié)合。在該研究中，“水解密”結(jié)構(gòu)色材料(Hydrocipher)在濕態(tài)下顯示高對比度圖案，在干態(tài)下無對比度且完全透明，從而完美隱匿所加密圖文。這一技術(shù)的加密-解密可簡便快速的切換，只需水或在材料表面呼吸即可完成。在傳感、防偽、文件加密等方面有著廣泛應(yīng)用前景。

圖1 “水解密”結(jié)構(gòu)色材料制備與加密解密演示

  如圖1所示，“水解密”結(jié)構(gòu)色材料Hydrocipher由水凝膠包覆在彈性微柱陣列形成的二維光柵而構(gòu)成。形成二維光柵的材料（環(huán)氧樹脂）不可膨脹，具有穩(wěn)定的折射率；而其表面的水凝膠層（聚丙烯酰胺）在干態(tài)下折射率接近環(huán)氧樹脂，但在濕態(tài)下遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹脂。這種折射率的匹配與差異使得該材料在干態(tài)下渾然一體，不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色；而在濕態(tài)下，則可與入射光發(fā)生強烈相互作用，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。與此同時，水凝膠層在干燥與溶脹時帶來的體積變化會驅(qū)動微柱產(chǎn)生可逆的彎曲與直立，相應(yīng)導(dǎo)致二維光柵周期性結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)，從而形成結(jié)構(gòu)色可逆的消失和產(chǎn)生。

圖2 “水解密”結(jié)構(gòu)色材料遇水解密過程

  通過測量反射光強度以及使用共聚焦顯微鏡觀察二維光柵結(jié)構(gòu)變化，可發(fā)現(xiàn)該材料解密速度與水凝膠層厚度有關(guān)，通過調(diào)控水凝膠層厚度可實現(xiàn)1秒內(nèi)解密。根據(jù)這一趨勢，該研究進一步縮小二維光柵尺度與水凝膠層厚度，實現(xiàn)了濕度響應(yīng)的“水解密”結(jié)構(gòu)色材料，使得快速解密與完美加密僅在呼吸之間。

  這一工作提出了一個普適的設(shè)計原理: 水凝膠包覆在可形變的微柱陣列光柵上。外界環(huán)境的變化可同時控制兩個因素的變化，從而協(xié)同產(chǎn)生圖案加密-解密的主動切換：凝膠的縮脹可以1）驅(qū)動微柱（直立的規(guī)整陣列呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)色，而彎曲的不規(guī)則陣列使結(jié)構(gòu)色消失），同時 2）改變凝膠本身的折射率（水凝膠膨脹時其折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包埋于其中的微柱的折射率，而水凝膠膨脹時其折射率接近微柱的折射率）。

  該研究以“Hydrocipher: Bioinspired Dynamic Structural Color-based Cryptographic Surface”為題，發(fā)表在Advanced Optical Materials上（DOI: 10.1002/adom.201901259）。論文第一作者為加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系博士生Jaeho Choi 和華牧天，通訊作者為加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系賀曦敏教授。

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

  課題組網(wǎng)頁：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html

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  作者介紹：

  賀曦敏是加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系的助理教授和加州納米體系研究所（CNSI）的成員。她在劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位并在哈佛大學(xué)進行博士后研究。她的主要研包括刺激響應(yīng)性材料，仿生功能材料，化學(xué)和生物傳感器，驅(qū)動器等，并將其應(yīng)用于生物醫(yī)藥、環(huán)境、機器人和能源領(lǐng)域。她已經(jīng)在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology等雜志發(fā)表了60余篇高水平論文、書籍和專利。她獲得的榮譽包括美國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啟發(fā)的功能材料，特別是刺激響應(yīng)性水凝膠和智能材料用于化學(xué)和生物傳感、軟體機器人和能源領(lǐng)域。她關(guān)于自調(diào)制材料和化學(xué)-機械分子分離等研究獲得了一系列地區(qū)和國際的獎勵，并且受到了百余家新聞媒體報道。