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  水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的高分子材料，具有優(yōu)異的親水性、柔順性、生物相容性等。響應型水凝膠材料可以在外界條件變化下如：光、溫度、濕度、pH等，發(fā)生顏色、形狀等宏觀結(jié)構(gòu)變化，在功能性材料領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。自愈合水凝膠可以完成水凝膠的自我修復，不僅能提升水凝膠的使用壽命也可以進行水凝膠的編程組合。利用水凝膠的自愈合性能，可以將具有不同光響應效果的水凝膠進行組合，應用于圖案顯示、信息編碼與加密等領(lǐng)域。

  北京化工大學材料科學與工程學院魏杰教授團隊在響應型水凝膠制備及應用方面取得了系列研究進展（ACS Applied Nano Materials 2021, 4(12), 14026-14034; ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12(18), 20867-20873; Sensors and Actuators B: Chemical 2019, 298, 126908; Sensors and Actuators B: Chemical 2018, 255, 3117-3126; Journal of Materials Chemistry B 2019, 7(37), 5704-5712. Journal of Materials Chemistry B 2018, 6(48), 8170-8179; Sensors and Actuators B: Chemical 2018, 273, 1705-1712.）基于前期研究工作，近日該團隊成功制備出兩種光響應自愈合水凝膠，并通過對水凝膠的編程，得到了具有不同光響應部分的水凝膠組合體，該水凝膠組合體在紫外光照射下，不同部分具有不同的光響應效果，因此可以用于信息的編碼和加密，在信息加密顯示、防偽材料等方面有著應用的潛力。

圖1. 水凝膠的制備流程。

  光響應自愈合水凝膠通過常溫下聚合得到（圖1）。作者選用丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）為單體，聚合后得到PAM-AD自愈合水凝膠。此外，在制備過程中分別加入光致變色基元七鉬酸銨（Mo₇）和熒光基元可聚香豆素衍生物（AHPMC），分別得到PAM-AD/Mo₇光致變色水凝膠和PAM-AD/AC熒光水凝膠。三種水凝膠具有相似的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以AA中的羧基和DMAEMA中的氨基通過靜電相互作用形成交聯(lián)點，具有一定的自愈合性能，同時具有相似的外觀性質(zhì)，透明性較好。

圖2. PAM-AD/Mo₇水凝膠的光響應性能。

  PAM-AD/Mo₇水凝膠在紫外光的照射下可以發(fā)生顏色變化（圖2）。由于Mo₇的加入，水凝膠具備了光致變色性能。在紫外光照射下，水凝膠由透明狀態(tài)逐漸變成墨綠色，加熱后，水凝膠又逐漸恢復成透明狀態(tài)。

圖3. PAM-AD/AC水凝膠的光響應性能。

  PAM-AD/AC水凝膠在紫外光的照射下可以發(fā)出藍色熒光（圖3）。由于AHPMC的加入，水凝膠具備了熒光性能。在紫外光照射下，水凝膠由透明狀態(tài)瞬間變成發(fā)藍色光的熒光態(tài)，關(guān)閉紫外光后，水凝膠又恢復成透明狀態(tài)。

圖4. 三種水凝膠的編程組合及光響應模式。

  得到的三種水凝膠可以進行編程設(shè)計，通過水凝膠間的自愈合性能結(jié)合在一起，在紫外光的照射調(diào)控下呈現(xiàn)不同區(qū)域不同顏色的顯示和消失（圖4）。作者首先通過對水凝膠的編程設(shè)計得到3×3的水凝膠組合體，打開紫外光后，PAM-AD/AC水凝膠的部分發(fā)出藍色熒光。紫外光持續(xù)照射10分鐘后，PAM-AD/Mo₇水凝膠的部分逐漸變成墨綠色。關(guān)閉紫外光后，PAM-AD/AC水凝膠的部分恢復成透明狀態(tài)，PAM-AD/Mo₇水凝膠的部分仍呈現(xiàn)墨綠色。加熱后，PAM-AD/Mo₇水凝膠的部分逐漸恢復成透明狀態(tài)。整個響應過程中PAM-AD水凝膠一直處于無色透明狀態(tài)。

圖5. 雙層水凝膠用于信息編碼。

  依據(jù)上述原理，水凝膠可以用于信息編碼（圖5）。作者通過對水凝膠的編程設(shè)計得到雙層的水凝膠組合體，并規(guī)定了不同響應水凝膠所對應的二進制編碼。在紫外光的照射下，底部層PAM-AD/AC水凝膠的部分發(fā)出藍色熒光，與不發(fā)生變化的PAM-AD水凝膠組成二進制編碼，可讀取信息“BUCT”。持續(xù)照射10分鐘后并關(guān)閉紫外光，頂部層PAM-AD/Mo₇水凝膠的部分逐漸變成墨綠色，類似的可讀取信息“GOOD”。加熱后，水凝膠恢復成無色透明狀態(tài)，二進制信息消失。

圖6. 水凝膠用于信息加密。

  類似的，水凝膠可以用于信息加密（圖6）。依據(jù)上述的響應原理與顏色變化，將水凝膠與字母密碼表結(jié)合，在紫外光的照射下，可以從中讀出加密的信息“HELLO”與“BUCT”。

圖7. 水凝膠用于防偽標簽。

  此外，作者也在防偽領(lǐng)域進行了應用研究（圖7）。以無光響應性能的PAM-AD水凝膠為基板，并將由PAM-AD/Mo₇和PAM-AD/AC水凝膠制備數(shù)字和字母通過自愈合結(jié)合得到水凝膠防偽標簽。其可以貼附在酒瓶外壁上，在紫外光的照射調(diào)控下，字母和數(shù)字可呈現(xiàn)不同響應效果，從而起到加密防偽的作用。

  綜上，該研究提出利用水凝膠的自愈合性能，通過編程設(shè)計將具有不同光響應效果的水凝膠按一定順序結(jié)合在一起，得到了水凝膠組合體。在紫外光的照射下，水凝膠組合體中不同部分具有不同的光響應效果，能夠進行信息的編碼與加密，在光學信息顯示、信息編碼與加密和防偽等領(lǐng)域具有應用潛力。

  該論文發(fā)表在《European Polymer Journal》，題為“Programmable photo-responsive self-healing hydrogels for optical information coding and encryption”，論文第一作者為北京化工大學研究生王雨霏，魏杰教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金（51873009）和北京自然科學基金（2192042）資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111025