近年來，智能顯示、高容量存儲、高安全加密和多層級防偽等領域對具備多重功能的光學成像系統的需求日益增長。這促使研究者們不斷探索和開發能夠傳輸不同光學信號并能夠同時處理多項任務的光學材料以及光學復用技術。然而，現有的光學復用技術通常依賴于復雜繁瑣、成本高昂的制造和編碼步驟，且由此產生的光學平臺一旦制備完成，寫入的信息通常不可重新編輯，因此無法形成新的功能，在材料的可重復使用性、可持續性以及信息更新和替換等方面沒有優勢。此外，絕大部分現有的光學復用技術僅限于在2D平面上編碼信息，無法在第三維度上操縱光束，從而限制了在三維空間中編碼信息的能力。具有空間立體構型的3D光學平臺引入的空間自由度有利于提高信息存儲容量、成像維度以及加密級別。因此，開發新型的復用技術，即能夠通過簡單、綠色和可擴展的制造和編碼方法創建在二維和三維空間中具備成像能力的可重寫和可重編程多功能光學平臺具有迫切需求。
近日，南京大學現代工程與應用科學學院王瑜副教授、陸延青教授團隊以具有優異環境友好性和生物相容性的天然蠶絲蛋白為基質材料，發展了水蒸氣誘導的多策略納米壓印技術以及多模態三維變形技術，進而構建了大尺度、可擦寫、可重復編程、多功能的光學成像系統。該光學平臺展現了2D/3D信息編碼、多通道成像、以及多模式信息復用的能力，在多維度顯示、多階段加密、多層不可克隆防偽、以及3D高安全加密等領域具有廣闊的應用前景。相關工作以“All-protein-based rewritable and reprogrammable multifunctional optical imaging platforms via multi-strategy imprinting and multimodal 3D morphing”為題發表在《Matter》上。
圖1：絲蛋白基多功能光學成像平臺的概念、機理和性能。（A、B）基于蠶絲蛋白的2D和3D光學成像平臺。（C、D）無定形和結晶性絲膜的壓印和3D變形機制。（E）尺寸為5×5 cm的壓印光柵結構的絲膜。（F）附著于玻璃器皿的平面和曲面部位的圖案化蛋白薄膜。（G）具有復雜3D結構的彩色絲膜。（H）顯示二維碼的無定形絲膜在水中的快速溶解。
本研究提出的水蒸氣操控策略可以時空方式精確控制，再加上壓印微結構的可重寫性，為建復雜的多譜圖案提供了一種可靠的方法。為了展示單個絲膜平臺可集成的廣泛光學功能，他們設計了一系列壓印策略。借助局部重寫策略，實現了不同周期光柵結構的集成及多色圖案化構建（圖3A）。發展了像素化壓印策略，實現了復雜圖案的制備（圖3B）。進一步利用雙面壓印策略，在蛋白膜兩側構建了不同周期的光柵結構，通過切換觀測角度，實現了圖案的可逆轉換（圖3C-E）。另外，雙面壓印也賦予了衍射圖案的融合（圖3F）。
圖3：通過整合不同的光學元件，設計復雜的動態顯示系統。（A）基于局部重寫得到的“福”字圖案。（B）基于像素化壓印得到的“天秤座星空”圖案。（C）不同觀測角度下的多色風景圖案。（D、E）基于雙面壓印的動態結構色系統。（F）基于雙面納米壓印的集成衍射圖樣。
圖5：3D多向顯示和高級加密器件。（A）多面結構色圖像和多方向全息圖像在單個立方體形狀中的集成。（B）通過可重寫的2D光柵結構和可重構的結構的編程組合來記錄和形成不同的集成衍射圖案。（C）基于可編程3D架構的信息加密。
原文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1idh59Cyxd6qZ-
- 華南理工殷盼超教授 Angew：聚合物亞納米粒子超分子復合膜用于高精度納米壓印 2024-12-24
- 蘇大周宇陽博士、都柏林大學張楠、王文新教授《ACS AMI》：全生物基微納結構聚乳酸抗菌防紫外薄膜的批量化加工技術 2022-11-28
- 陳義旺課題組 AFM：通過納米壓印結合順序旋涂策略實現具有垂直梯度分布的高效準平面異質結有機太陽電池 2022-11-06
- 北卡州立尹杰與朱勇團隊《Nat. Commun.》：無傷害抓魚與生蛋黃的百變剪紙 2022-01-29
- 浙江大學鄭強教授、吳子良研究員團隊Adv. Mater. : 動態化學鍵助推水凝膠梯度結構、三維變形重復設計 2021-04-27
- 浙江大學鄭強教授、吳子良副教授研究團隊在局部預溶脹調控水凝膠三維變形方向取得新進展 2017-11-23
- 北化賈曉龍教授、楊小平教授團隊 J. Mater. Sci.: 碳納米材料分散大尺度三維空間原位可視化研究方面的新進展 2021-12-25
