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  使用波長可調的結構色代替熒光以實現信息保護，可避免光漂白、固態(tài)聚集萃滅等問題。這種結構色來自于重復周期與可見光波長相當的陣列結構。然而，結構色所攜帶的信息通常處于可見區(qū)，雖可隨觀測角度發(fā)生變化，但難以隱藏。

  西南大學黃進教授、甘霖副教授及馮娜研究生通過調控棒狀纖維素納米晶（CNC）的組裝周期，將圖案化CNC陣列所攜信息隱藏于紫外區(qū)（如圖1a所示）。同時，基于棒狀納米顆粒組裝結構對光的局域共振作用，纖維素與光的非彈性碰撞大幅增強，使CNC的組裝結構在紫外光照下實現了藍光顯影（如圖1b和1c所示）。

圖1: 內襯圖案化CNC組裝結構的王希孟《千里江山圖》復印圖分別在(a) 可見光燈，(b) 可見光燈加紫外光燈，和(c) 紫外光燈下的照片。(a) 中紅虛線為CNC組裝結構所在位置。

  CNC由于表面極性強，所帶電荷量高，其在水中分散時易呈膽甾液晶相。若直接流延成膜，CNC的組裝結構將具有手性，使其對光的局域共振結構減弱。因此，該工作通過蒸發(fā)誘導垂直組裝的方式，使CNC在毛細力與重力作用下實現取向組裝以消除手性（如圖2a所示）。進一步通過調節(jié)組裝前CNC分散狀態(tài)及組裝過程溶劑蒸發(fā)速率，可將CNC陣列的角度分度半峰寬縮小至6.73o（如圖2b和2c所示）。

圖2: (a) 溶劑蒸發(fā)誘導CNC垂直組裝示意圖，(b) CNC垂直組裝的原子力顯微鏡圖，和(c) CNC垂直組裝結構的角度分布統計圖。

  此時，根據納米陣列結構色波長公式(1)和CNC組裝周期計算公式(2)，可得出CNC組裝結構的理論值推導結果（公式(3)）。進一步通過選取合適長度的CNC，使CNC陣列的結構光成功地調控至紫外區(qū)（如圖3a所示），便是該工作實現圖案化CNC陣列信息隱藏的原理。

 （1）

其中，m為陣列維度系數（=1），λ_Bragg為結構色波長，D為CNC組裝周期，n_eff為CNC組裝結構的有效折射率，θ為入射角（=90o）。

（2）

其中，V_CP為CNC在密堆積中的理論體積分數，V_CNC為CNC在組裝結構中的實際體積分數，L_CNC為CNC的平均長度。

（3）

其中，ρ_VA為CNC垂直組裝膜的密度。

  同時，兩個現象可證明，CNC垂直組裝結構在紫外光照下發(fā)藍光是由CNC組裝誘導的非彈性散射引起的。第一，當CNC無序排列（如圖3d所示）時，CNC膜無光致發(fā)光現象。第二，CNC的光致發(fā)光譜（圖3c）與CNC的拉曼光譜（圖3b）完全對映（拉曼散射是光子能量減少的非彈性碰撞引起的）。

圖3: CNC垂直組裝膜的(a) 消光光譜，(b) 拉曼光譜，和(c) 光致發(fā)光光譜；(d) CNC無序組裝的AFM圖。

  該工作所制備的CNC組裝誘導發(fā)光膜，不僅無需擔心光漂白，固態(tài)發(fā)光淬滅問題，且發(fā)光效率高（QE=13.9%），能實現信息隱匿和快速顯影。作為一種生物質、無污染的固態(tài)發(fā)光結構，該材料在未來的信息保護，尤其是紙質證件的防偽等領域具有巨大的應用前景。

  該研究以題為“Assembly-Induced Emission of Cellulose Nanocrystals for Hiding Information”發(fā)表在Particle & Particle Systems Characterization（2019, 1800412）期刊，甘霖副教授和馮娜研究生為共同第一作者，黃進教授為通訊作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.201800412