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中科院化學(xué)所宋延林/李會(huì)增團(tuán)隊(duì) AFM：以結(jié)構(gòu)色為基礎(chǔ)的多重信息加密打印

2024-04-19 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：表面張力驅(qū)動(dòng) 濕度響應(yīng)性噴墨打印結(jié)構(gòu)色圖案信息加密

不同于化學(xué)染料“上色即定型”的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)色能夠隨周圍環(huán)境以及自身形貌的改變而產(chǎn)生獨(dú)特的變化，因此在顯示與裝飾、防偽與信息加密、可穿戴與智能傳感、隱身以及偽裝等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)色，研究人員往往通過外部刺激（如光、電、力、熱、磁等）來調(diào)控結(jié)構(gòu)色材料的微納結(jié)構(gòu)，但是如何程序化地制造出具有穩(wěn)定、可控且能夠高精度圖案化的響應(yīng)性呈色結(jié)構(gòu)仍然是結(jié)構(gòu)色領(lǐng)域亟需解決的問題。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)所宋延林、李會(huì)增團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并提出了表面張力驅(qū)動(dòng)的濕度響應(yīng)性全內(nèi)反射微穹頂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可通過噴墨打印直接制備并能實(shí)現(xiàn)出單像素可調(diào)的結(jié)構(gòu)色圖案。研究人員發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)色可在不同尺寸下展現(xiàn)出不同的響應(yīng)敏感性，基于此，他們打印了集成化的結(jié)構(gòu)色加密圖案，實(shí)現(xiàn)了濕度響應(yīng)加密圖案的多路復(fù)用，并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像識別算法，對加密信息進(jìn)行快速可靠的自主讀取。同時(shí)，研究人員還通過控制環(huán)境溫度與響應(yīng)濕度，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色像素點(diǎn)的可控融并，從而能夠控制加密信息的選擇性“閱后即焚”，因此顯著提升了加密信息的安全性與可設(shè)計(jì)性，為智能結(jié)構(gòu)色加密材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用開辟了新路徑。相關(guān)工作以“Dynamic high-capacity structural-color encryption via inkjet printing and image recognition”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

濕度響應(yīng)結(jié)構(gòu)色的變化機(jī)制

研究人員利用噴墨打印，將具有濕度響應(yīng)的親水高分子材料打印在疏水表面，形成了由疏水基底與親水點(diǎn)陣構(gòu)成的異質(zhì)浸潤性圖案，該設(shè)計(jì)可使環(huán)境中的水分子定向吸附到打印的高分子點(diǎn)陣上，并被點(diǎn)陣上親水基團(tuán)所捕獲，使微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生均勻的膨脹，隨著結(jié)構(gòu)的變化，反射的顏色也會(huì)發(fā)生改變，如圖2所示。

圖2. 水分子吸附導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)膨脹及結(jié)構(gòu)色變化機(jī)制

顏色變化特點(diǎn)

研究人員發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)色在不同尺寸下的顏色變化過程不是線性的，存在顏色變化的敏感區(qū)域與非敏感區(qū)域。在大部分尺寸下，微結(jié)構(gòu)顏色呈現(xiàn)出尺寸變化而顏色不變的響應(yīng)行為，而在特定尺寸下，顏色隨尺寸變化呈現(xiàn)出跨越可見光色譜的顏色變化，如圖3所示。此外，隨著制備的微結(jié)構(gòu)尺寸增大，“敏感”區(qū)域出現(xiàn)的頻率逐漸降低。

圖3. 響應(yīng)性全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)色的尺寸依賴特點(diǎn)

基于響應(yīng)結(jié)構(gòu)色的信息加密應(yīng)用

作者將兩個(gè)不同的二維碼通過設(shè)計(jì)合并成一個(gè)圖案，通過噴墨精密控制每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)尺寸及相應(yīng)的響應(yīng)行為，實(shí)現(xiàn)了在不同的相對濕度下對單個(gè)像素點(diǎn)的顏色控制。結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像識別算法，對像素點(diǎn)色調(diào)值的提取及機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用，自動(dòng)將顏色相近和迥異的像素點(diǎn)歸為兩類，并轉(zhuǎn)化為手機(jī)可讀取的二維碼，實(shí)現(xiàn)了打印圖像的高精度和快速讀取。最終成果可通過調(diào)節(jié)相對濕度，在0.124 x 0.124cm的平面上展示不同的四個(gè)二維碼，其中兩個(gè)分別存儲了不同信息，另外兩個(gè)為不可讀取，實(shí)現(xiàn)了單一圖案的多信息加密，如圖4所示。

圖4. 計(jì)算機(jī)圖像識別輔助的加密信息讀取

總結(jié)：作者通過不同尺寸全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)色的制備及其濕度響應(yīng)行為的研究，對尺寸依賴的響應(yīng)行為進(jìn)行了模擬和計(jì)算，結(jié)合噴墨打印制備了具備多路復(fù)用能力的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)色信息加密圖案，為結(jié)構(gòu)色在信息加密領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種高信息容量、高安全性、可大規(guī)模制備的新策略，可望在未來的安全信息領(lǐng)域得到應(yīng)用。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404706

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（責(zé)任編輯：xu）

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