隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們在日常生活中感受到信息獲取便捷的同時，也同時受到各種無用信息，以及信息泄露帶來的困擾。因此具有信息記錄，加密和解密功能的信息存儲材料的研發(fā)具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的纖維素基紙張雖然價格低廉，記錄方便，但是由于單一功能的信息記錄，缺乏實時的信息加密和解密，重復(fù)使用率低等問題而無法作為一種多功能的信息存儲介質(zhì)。目前，熒光材料，刺激響應(yīng)基體，可擦寫基底等信息存儲材料的出現(xiàn)在一定程度上緩解了這些問題，但是其信息分辨率低，信息安全性依然不足。如何設(shè)計具有高分辨率的信息記錄和多級信息保護(hù)功能的信息存儲材料仍是一個難題。
近日，上海交通大學(xué)劉河洲教授、陳玉潔副研究員和楊秩副教授團(tuán)隊基于目前普遍使用紙張的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過紫外聚合的方式將納米纖維素（NC）引入聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）中，制備出一種具有優(yōu)異力學(xué)性能，溶劑誘導(dǎo)的具有可逆信息記錄，自加密和多重解密的NCPN水凝膠材料。類似于紙張結(jié)構(gòu)中的纖維素增強(qiáng)相以及填料的功能相，在NCPN 水凝膠基體中，NC充當(dāng)增強(qiáng)相，以實現(xiàn)所需的機(jī)械性能和表面粗糙度。PNIPAM作為功能相響應(yīng)外界刺激，實現(xiàn)信息記錄、自加密和多重解密。基于凝膠體系內(nèi)部獨(dú)特的親水和疏水結(jié)構(gòu)，乙醇和其他極性溶劑可作為特殊“墨水”，通過改變體系臨界相轉(zhuǎn)變溫度（LCST），實現(xiàn)NCPN水凝膠可重復(fù)，穩(wěn)定的透明-渾濁-透明的改變，并且溶劑刺激透明后的凝膠可以在水中重復(fù)這種變化而恢復(fù)到其初始狀態(tài)，整個過程重復(fù)20次而不發(fā)生明顯的物化性質(zhì)的改變（圖1）。
圖1. NCPN凝膠（a）在乙醇和水中透明度改變和(b)在乙醇和水中的20次循環(huán)穩(wěn)定性
基于這種可重復(fù)的透明度改變，不同類型的信息處理模型被設(shè)計出來，并表現(xiàn)出穩(wěn)定，可調(diào)節(jié)，可重復(fù)，高精度的信息加工能力（圖2-圖4）。
圖2. (a) 使用乙醇書寫的信息記錄過程示意圖。(b) 使用乙醇書寫記錄數(shù)字信息的光學(xué)圖像。 (c) 受雕版印刷技術(shù)啟發(fā)，通過乙醇印刷記錄信息示意圖。(d) 通過乙醇印刷在水凝膠表面上記錄不同圖案的光學(xué)圖像。
圖3. (a) 二維碼信息加解密行為示意圖。 (b) 乙醇和水刺激實現(xiàn)的二維碼信息加解密行為，比例尺為1 cm。(c) 基于乙醇浸泡和空氣環(huán)境下的二維碼信息加密和解密，比例尺為1 cm。
圖4. (a) 信息記錄、自加密和熱解密過程的示意圖。(b) 加密圖案“8”在熱刺激下的解密過程，比例尺為 1 cm。(c) 加密漢字“三”在熱刺激下的逐步解密過程，比例尺為 1 cm。
此外，除了乙醇和PNIPAM，其他具有相似結(jié)構(gòu)的極性溶劑和聚合物所設(shè)計的體系，也觀察到類似的透明度變化，進(jìn)而說明所設(shè)計刺激響應(yīng)體系具有優(yōu)異的普適性和廣泛的使用范圍。
圖5. (a) NCPN水凝膠在不同極性溶劑中的透明度變化的光學(xué)圖像，比例尺為 1 cm。(b) NCPN水凝膠在非極性溶劑中的透明度變化的光學(xué)圖像，比例尺為 1 cm。(c) PEDA水凝膠在異丙醇溶劑中的透明度變化的光學(xué)圖像，比例尺為 1 cm。
以上研究以“Paper-Structure Inspired Multiresponsive Hydrogels with Solvent-Induced Reversible Information Recording, Self-Encryption, and Multidecryption”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials （DOI: 10.1002/adfm.202201009），上海交通大學(xué)材料學(xué)院博士研究生陳震為第一作者，上海交通大學(xué)劉河洲教授、陳玉潔副研究員和楊秩副教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)項目和上海市科技重大專項的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201009
