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加州大學洛杉磯分校賀曦敏團隊:“水解密”結構色材料 | 結構色主動關停和可重復開啟
2019-11-11  來源:高分子科技

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

  近期,加州大學洛杉磯分校賀曦敏團隊通過結合刺激響應型水凝膠(stimuli-responsive hydrogel)和二維衍射光柵(diffraction grating) 制備出具有可重復啟停結構色的復合材料。該材料可實現100% 到 0% 結構色可見度的快速轉變(< 1s),從而實現了高對比度可視性以及完全加密性的結合。在該研究中,“水解密”結構色材料(Hydrocipher)在濕態下顯示高對比度圖案,在干態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用前景。

圖1 “水解密”結構色材料制備與加密解密演示

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

圖2 “水解密”結構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構變化,可發現該材料解密速度與水凝膠層厚度有關,通過調控水凝膠層厚度可實現1秒內解密。根據這一趨勢,該研究進一步縮小二維光柵尺度與水凝膠層厚度,實現了濕度響應的“水解密”結構色材料,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計原理: 水凝膠包覆在可形變的微柱陣列光柵上。外界環境的變化可同時控制兩個因素的變化,從而協同產生圖案加密-解密的主動切換:凝膠的縮脹可以1)驅動微柱(直立的規整陣列呈現結構色,而彎曲的不規則陣列使結構色消失),同時 2)改變凝膠本身的折射率(水凝膠膨脹時其折射率遠遠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,發表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.201901259)。論文第一作者為加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系博士生Jaeho Choi 華牧天,通訊作者為加州大學洛杉磯分校材料科學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:


  賀曦敏是加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系的助理教授和加州納米體系研究所(CNSI)的成員。她在劍橋大學獲得博士學位并在哈佛大學進行博士后研究。她的主要研包括刺激響應性材料,仿生功能材料,化學和生物傳感器,驅動器等,并將其應用于生物醫藥、環境、機器人和能源領域。她已經在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology等雜志發表了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的功能材料,特別是刺激響應性水凝膠和智能材料用于化學和生物傳感、軟體機器人和能源領域。她關于自調制材料和化學-機械分子分離等研究獲得了一系列地區和國際的獎勵,并且受到了百余家新聞媒體報道。

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(責任編輯:xu)
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