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  你能想象嗎？一塊看似普通的透明材料，在偏振光下旋轉，竟能像萬花筒一樣浮現出不同的彩色圖案，這些圖案還藏著層層加密的信息。最近，發表在國際頂刊《Matter》上的一項研究，就帶來了這樣一種神奇的雙折射超材料，為智能光學器件與高安全加密技術開辟了新路徑。

  在信息爆炸的時代，數據安全與加密技術顯得愈發重要。傳統的光學加密超材料依賴于復雜且昂貴的微納加工技術，制約了其大規模應用。近年來，基于應力誘導雙折射的光學材料展現出潛力，但其應力方向難以靈活控制，限制了其在多功能防偽和光學器件中的應用。

  近日，科研團隊從光敏樹脂固化時的“體積收縮”入手，提出一種基于應力調控的雙折射超材料新策略：通過順序化圖案光照，控制光敏樹脂固化時的體積收縮應力，實現了內應力大小、方向與分布的全方位編程，成功制備出具有多角度依賴顯色的光學加密材料。

  研究成果以“Kaleidoscopic stress-colored birefringent metamaterial for digital multiplexed encryption”為題發表在期刊《Matter》上，浙江理工大學碩士生梁鑫為第一作者，浙江理工大學彭文俊特聘研究員和浙江大學謝濤教授為共同通訊作者，論文第一單位為浙江理工大學，該研究受到張先明教授和趙騫教授的大力支持。

  光敏樹脂在光照固化過程中，反應交聯會不可避免地導致體積收縮，進而產生隨機內應力。這一現象長期被視為材料缺陷，可能導致器件變形、性能下降。但研究團隊卻從中看到了創新機遇，把“隨機的收縮應力”變成“可控的光學密碼”。通過特定圖案的光照讓樹脂首先局部固化，再整體光照讓樹脂全部固化，只需一個樹脂、一臺商用投影儀，幾分鐘內就能制備得到雙折射超材料，并且不同角度下具有不同圖案（圖1A）。

  固化的幾何形狀會影響收縮內應力的方向與分布，如圖1B所示，長寬比較小的形狀傾向于產生各向同性的內應力，此時任何偏振場角度下都可以看到應力色，只是由于與偏振場平行的方向不顯示顏色而導致顏色分布發生變化；當長寬比足夠大時，由于寬度方向受到幾何限制產生較大的應力集中，最終應力沿著寬度方向取向，該取向應力只在某一偏振場角度下顯示顏色，在另一角度下應力色完全消失。因此當采用圖案化順序光照時，先固化區域的體積收縮內應力分布已經形成，并且對后固化區域產生新的幾何約束，由此便可精準控制應力的大小、分布與方向，得到預先設計的內應力圖案（圖1C）。

圖1 制備方法與調控原理

  通過調控第一步光照圖案的曝光時間可以得到不同的應力顏色，隨著光照時間增加，應力色越鮮艷（圖2A）。而通過設計預先曝光圖案的幾何形狀，可以得到漸變彩虹應力色分布，覆蓋寬范圍光譜（圖2B）。該應力調控方法適用于多種常見的光敏樹脂體系，例如丙烯酸酯、環氧樹脂、硫醇-烯烴等。在自然光下，它是完全透明的，看不出任何特殊之處；可一旦置于旋轉的偏振光場下，由于雙折射效應的角度依賴性，不同方向的應力就會呈現出截然不同的彩色圖案，就像萬花筒一樣（圖2C），最終可以顯示的圖案個數等于應力方向數量加一。此外，材料具有良好的穩定性，在長期儲存、高溫處理、溶劑浸泡后，雙折射圖案依然完好無損。這得益于該內應力是被化學交聯固定在樹脂網絡中，而非依賴物理相變（如玻璃態轉變），解決了以往應力可控材料穩定性差的問題。

圖2 顏色調控與多體系萬花筒圖案

  借助這種多角度下的多重應力色圖案，將“2023”（年份）與“1201”（日期）兩組信息分別加密到同一塊材料中，只有在特定偏振角度下，才能依次讀取兩組數字，最終組合出完整的“2023/12/01”信息；正品標簽在偏振光下始終顯示統一的“√”符號，而偽造標簽會隨偏振角度切換出“√”與“×”，真假一目了然。進一步通過光固化不同形狀設計“應力密碼拼圖”，拼圖從形狀上可多種組合，但只有當應力方向匹配時，才能在偏振光下浮現完整隱藏圖案，進一步提升了信息存儲容量和加密安全性。

圖3 多重防偽加密應用

  這項工作的核心價值，在于將材料制備中的“缺陷”（收縮應力）轉化為“功能”（光學加密），實現了內應力大小、方向與分布的全方位編程，為超材料設計提供了反常規的新思路。在防偽領域，它能制作出難以仿制的隱形標簽；在信息存儲領域，它能大幅提升數據密度，一塊小小的材料就能承載多組信息；未來，它還可能用于智能光學器件，為顯示、傳感等技術帶來新突破。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102435

部分通訊作者簡介

彭文俊：浙江理工大學材料科學與工程學院特聘研究員、碩導。博士畢業于浙江大學，師從謝濤教授和趙騫教授。主要從事智能變形變色高分子材料、動態可逆化學設計、3D/4D打印和功能化聚酯材料的研究。以一作/通訊作者在Science Advances, Advanced Materials, Matter, Advanced Functional Materials等期刊上發表論文10余篇，主持國家自然科學青年基金和浙江省自然科學探索青年基金各1項。