在大數(shù)據(jù)時代，軍事、商業(yè)及個人領(lǐng)域?qū)γ舾行畔⒌谋Ｗo需求日益迫切。傳統(tǒng)加密技術(shù)（如光致變色或熱響應材料）依賴單一刺激機制，存在靜態(tài)架構(gòu)不可重構(gòu)、易被復制等缺陷，難以滿足動態(tài)可穿戴場景的高安全性需求?，F(xiàn)有系統(tǒng)在實現(xiàn)多模態(tài)協(xié)同響應、時空可編程性及穿戴兼容性方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。

上海工程技術(shù)大學宋仕強副教授、江南大學馬丕明教授和南方醫(yī)科大學侯鴻浩教授團隊受活字印刷的可重構(gòu)模塊化與變色龍多層次變色機制啟發(fā)，開發(fā)出光熱雙模態(tài)柔性聚合物陣列加密系統(tǒng)。該系統(tǒng)將信息拆分為獨立模塊，每個模塊集成了紫外光響應的光致變色層（螺吡喃/螺吡嗪衍生物）用于瞬時光學解密，以及垂直排列的導熱層（液態(tài)金屬/MXene納米復合材料）用于時間分辨紅外加密。光致變色層可在40–70秒內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)褪色的可見圖案切換，而導熱層則通過各向異性散熱（0.16–5.56 W·m?1·K?1）生成時空演化的紅外特征。模塊化設計支持原位物理重排以動態(tài)更新加密內(nèi)容，突破傳統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)的限制，可應用于防偽、動態(tài)認證及可穿戴設備。

技術(shù)原理與創(chuàng)新設計

圖1揭示了傳統(tǒng)系統(tǒng)與新型加密模式的根本差異：傳統(tǒng)紫外響應基板（圖1a）依賴單層靜態(tài)結(jié)構(gòu)，信息一次性解密且不可重構(gòu)；而新系統(tǒng)（圖1b）模仿活字印刷的模塊化和變色龍皮膚的分層結(jié)構(gòu)，將加密信息分解為可編程物理陣列。每個模塊包含光致變色表面層和垂直導熱核心層。紫外照射時，光致變色層實時顯示預設圖案（如“027”），而導熱層則通過模塊間差異化的散熱速率，在紅外成像下生成時序動態(tài)密碼（如“358”“2769”）。物理重排模塊可原位更新加密邏輯，實現(xiàn)“動態(tài)多級加密”。

圖1.（a）傳統(tǒng)紫外響應柔性基板的信息加密與解密過程示意圖；（b）受活字印刷技術(shù)和變色龍啟發(fā)的光熱雙響應柔性聚合物陣列加密與解密過程示意圖。

材料制備與性能

圖2a展示了垂直結(jié)構(gòu)光熱雙顯色棒（PBCDR）的制備流程：MXene納米片與PDMS預聚物混合成膜后，刮涂高含量液態(tài)金屬（LM）形成平面取向結(jié)構(gòu)，再經(jīng)卷曲固化構(gòu)建垂直排列的LM/MXene混合導熱通路。圖2b–d顯示模塊陣列的光熱表達特性，其中紅外熱成像證明不同導熱系數(shù)（TC）模塊在相同加熱條件下呈現(xiàn)顯著溫差對比。圖3的微觀分析進一步驗證了PDMS/LM/MXene棒的“磚混式”分層結(jié)構(gòu)（圖3a–c），掃描電鏡（圖3d）和元素圖譜（圖3f）顯示LM（鎵/銦）與MXene（鈦）均勻分布，而螺吡喃光致變色層在紫外照射下可逆顯色（圖3g），為瞬時解密奠定基礎(chǔ)。

圖2.（a）垂直取向結(jié)構(gòu)PBCDR的制備示意圖；（b）PBCDR陣列模塊的光熱表達；（c）PBCDR的頂視圖和截面圖（比例尺：1 cm）；（d）相同加熱狀態(tài)下不同導熱系數(shù)（TC）模塊的紅外熱成像示意圖。

圖3.（a）PDMS/LM/MXene棒導熱模塊的截面示意圖；（b）光學照片和（c）偏光顯微鏡下的截面圖；（d）不同放大倍率的SEM截面圖；（e）PDMS/LM層局部放大SEM圖；（f）鎵、銦、鈦、硅元素分布圖譜；（g）兩種PDMS/光致變色粉末復合材料在紫外照射前后的顯色對比。

圖4闡釋了光致變色機制：螺吡喃衍生物在紫外觸發(fā)下發(fā)生開環(huán)反應，從無色態(tài)轉(zhuǎn)為紅色或藍色顯色態(tài)（圖4a–b）。當光致變色粉末含量達2.5 wt.%時，PDMS復合材料顯色響應最快（0.9–1.2秒），且褪色時間可調(diào)（圖4e–f），50次循環(huán)后仍無疲勞衰減，滿足可重復加密需求。

圖4.（a）紅色光致變色粉末與（b）藍色光致變色粉末的變色機理；（c）紅色與（d）藍色粉末含量對PDMS復合材料吸光度的影響；（e）含紅色與（f）藍色粉末的復合材料在紫外照射前后表面顏色隨時間的變化曲線。

熱管理性能與應用驗證

圖5證明MXene與LM的協(xié)同效應顯著提升導熱性能：PDMS/LM/MXene復合膜的面外導熱率達1.72 W·m?1·K?1（圖5b），而卷曲成棒狀結(jié)構(gòu)后躍升至5.56 W·m?1·K?1（提升223%）。CPU散熱實驗（圖5c–f）顯示該材料可快速響應溫度變化，紅外熱成像與COMSOL模擬驗證其高效熱管理能力。

圖5.（a）MXene和LM含量對PDMS復合膜導熱率的影響；（b）LM與MXene協(xié)同效應對PDMS復合膜及棒導熱率的提升；（c）PDMS基復合材料附著CPU表面的導熱性能評估；（d）PDMS/LM/MXene膜與棒的截面示意圖；（e）加熱與（f）冷卻過程的實時紅外熱成像；（g）COMSOL模擬的熱擴散對比。

圖6–7展示了多級加密應用：紫外觸發(fā)瞬時顯示一級密碼“027”（圖6a）；導熱層通過溫差生成時序紅外密碼“358”及二進制碼“2769”（圖6b）；雙模協(xié)同可分層解密（圖6c）。柔性陣列（圖7a–b）可彎曲貼合皮膚或紡織品，支持可穿戴設備集成。如圖7c所示，用戶需依次輸入紫外解密密鑰（027）、紅外動態(tài)密鑰（358）及二進制邏輯密鑰（2769），實現(xiàn)防篡改的多級認證。

圖6.（a）單一紫外加密模式：紫外觸發(fā)光致變色層顯色，實現(xiàn)裸眼可見密碼的瞬時解密；（b）單一紅外加密模式：模塊異質(zhì)導熱性在熱刺激下通過紅外熱成像生成時序動態(tài)密碼；（c）雙模協(xié)同加密：紫外與熱刺激時空分離調(diào)控，實現(xiàn)多級密碼分層解密。

圖7.（a）光熱信息加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；（b）系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性與柔性展示；（c）多級加密網(wǎng)絡登錄界面：紫外解密密鑰1（027）、紅外熱成像解密密鑰2（358）、時序邏輯生成密鑰3（2769）。

總結(jié)與展望

該研究通過融合仿生設計、可編程光熱響應與模塊化架構(gòu)，創(chuàng)建了動態(tài)可重構(gòu)的高安全性加密平臺。其時空解耦的雙模態(tài)解密路徑、原位物理重編程能力及穿戴兼容性，為防偽、機密文件傳輸和自適應人機接口提供了新范式。未來可進一步拓展至智能紡織品和生物醫(yī)學傳感領(lǐng)域，推動動態(tài)信息保護技術(shù)的實用化進程。

來源：高分子科學前沿

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