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南京大學王瑜/陸延青團隊 Matter:可重寫和可重編程的全蛋白質(zhì)基多功能光學成像平臺
2024-02-23  來源:高分子科技

  近年來,智能顯示、高容量存儲、高安全加密和多級防偽等領(lǐng)域?qū)邆涠嘀毓δ艿墓鈱W成像系統(tǒng)的需求日益增長。這促使研究者們不斷探索和開發(fā)能夠傳輸不同光學信號并能夠同時處理多項任務(wù)的光學材料以及光學復(fù)用技術(shù)。然而,現(xiàn)有的光學復(fù)用技術(shù)通常依賴于復(fù)雜繁瑣、成本高昂的制造和編碼步驟,且由此產(chǎn)生的光學平臺一旦制備完成,寫入的信息通常不可重新編輯,因此無法形成新的功能,在材料的可重復(fù)使用性、可持續(xù)性以及信息更新和替換等方面沒有優(yōu)勢。此外,絕大部分現(xiàn)有的光學復(fù)用技術(shù)僅限于在2D平面上編碼信息,無法在第三維度上操縱光束,從而限制了在三維空間中編碼信息的能力。具有空間立體構(gòu)型的3D光學平臺引入的空間自由度有利于提高信息存儲容量、成像維度以及加密級別。因此,開發(fā)新型的復(fù)用技術(shù),即能夠通過簡單、綠色和可擴展的制造和編碼方法創(chuàng)建在二維和三維空間中具備成像能力的可重寫和可重編程多功能光學平臺具有迫切需求。



  近日,南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院王瑜副教授、陸延青教授團隊以具有優(yōu)異環(huán)境友好性和生物相容性的天然蠶絲蛋白為基質(zhì)材料,發(fā)展了水蒸氣誘導(dǎo)的多策略納米壓印技術(shù)以及多模態(tài)三維變形技術(shù),進而構(gòu)建了大尺度、可擦寫、可重復(fù)編程、多功能的光學成像系統(tǒng)。該光學平臺展現(xiàn)了2D/3D信息編碼、多通道成像、以及多模式信息復(fù)用的能力,在多維度顯示、多階段加密、多層不可克隆防偽、以及3D高安全加密等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“All-protein-based rewritable and reprogrammable multifunctional optical imaging platforms via multi-strategy imprinting and multimodal 3D morphing”為題發(fā)表在《Matter》上。


  本工作首先利用絲蛋白在水蒸氣刺激下發(fā)生的分子鏈重排特性,發(fā)展了可擴展、空間可控和多策略的微/納米壓印技術(shù),在2D絲蛋白薄膜上實現(xiàn)了無串擾、可獨立操控的多個光學信息通道的集成(圖1A, C, D)。進一步,借助水蒸氣誘導(dǎo)的絲蛋白可重新塑形特性,構(gòu)建了復(fù)雜、多模態(tài)的3D立體結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)了光學信息復(fù)用維度的提升(圖1B-D, G)。更重要的是,憑借絲蛋白在水蒸氣作用下發(fā)生的可逆分子重排,該光學平臺可實現(xiàn)光學信息的重寫和3D結(jié)構(gòu)的重編程。由于基于蠶絲蛋白薄膜的微/納米壓印技術(shù)操作環(huán)境溫和、步驟簡單,此多功能平臺可大面積制備(圖1E)。另外,蠶絲蛋白良好的黏附性賦予了此光學平臺在不同質(zhì)地和形貌的基底上的穩(wěn)定貼附(圖1F)。最后,蠶絲蛋白固有的環(huán)境友好性、生物相容性和生物可降解性使多功能光學平臺不會對環(huán)境造成污染,并可與人體建立良好的界面(圖1H)。 


圖1:絲蛋白基多功能光學成像平臺的概念、機理和性能。(A、B)基于蠶絲蛋白的2D和3D光學成像平臺。(C、D)無定形和結(jié)晶性絲膜的壓印和3D變形機制。(E)尺寸為5×5 cm的壓印光柵結(jié)構(gòu)的絲膜。(F)附著于玻璃器皿的平面和曲面部位的圖案化蛋白薄膜。(G)具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的彩色絲膜。(H)顯示二維碼的無定形絲膜在水中的快速溶解。


  基于光學微結(jié)構(gòu)的可重寫特性,循環(huán)利用壓印書寫與蒸汽擦除,在同一蛋白膜上實現(xiàn)了不同圖案、不同光學結(jié)構(gòu)的可逆構(gòu)建(圖2A-C)。研究結(jié)果表明,壓印結(jié)構(gòu)的保真度可通過控制熏蒸溫度和水蒸氣暴露時間來調(diào)節(jié)。水蒸氣處理時間較長的薄膜可在較低溫度下實現(xiàn)最大衍射效率(圖2D)。同樣,水蒸氣處理條件也會影響擦除過程。暴露溫度的升高會加速印記光柵微結(jié)構(gòu)的擦除(圖2E)。由于無定形絲膜在循環(huán)吸濕和解吸的情況下具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,其在反復(fù)壓印和擦除過程中表現(xiàn)出良好的光學功能耐久性(圖2F)。 


圖2:基于水蒸氣輔助微/納米壓印技術(shù)的光學結(jié)構(gòu)的重寫。(A)圖案化光學結(jié)構(gòu)的制備和重寫示意圖。(B)四種不同姿勢的蝴蝶圖案的連續(xù)書寫。(C)不同衍射光學元件之間的可控重寫。(D)絲膜衍射效率與水蒸氣處理條件的關(guān)系。(E)殘余衍射效率(Dr)與初始衍射效率(Di)之比與水蒸氣中擦除時間的關(guān)系。(F)連續(xù)多次壓印過程中絲膜衍射效率的變化。

  本研究提出的水蒸氣操控策略可以時空方式精確控制,再加上壓印微結(jié)構(gòu)的可重寫性,為建復(fù)雜的多譜圖案提供了一種可靠的方法。為了展示單個絲膜平臺可集成的廣泛光學功能,他們設(shè)計了一系列壓印策略。借助局部重寫策略,實現(xiàn)了不同周期光柵結(jié)構(gòu)的集成及多色圖案化構(gòu)建(圖3A)。發(fā)展了像素化壓印策略,實現(xiàn)了復(fù)雜圖案的制備(圖3B)。進一步利用雙面壓印策略,在蛋白膜兩側(cè)構(gòu)建了不同周期的光柵結(jié)構(gòu),通過切換觀測角度,實現(xiàn)了圖案的可逆轉(zhuǎn)換(圖3C-E)。另外,雙面壓印也賦予了衍射圖案的融合(圖3F)。 


圖3:通過整合不同的光學元件,設(shè)計復(fù)雜的動態(tài)顯示系統(tǒng)。(A)基于局部重寫得到的“!弊謭D案。(B)基于像素化壓印得到的“天秤座星空”圖案。(C)不同觀測角度下的多色風景圖案。(D、E)基于雙面壓印的動態(tài)結(jié)構(gòu)色系統(tǒng)。(F)基于雙面納米壓印的集成衍射圖樣。


  鑒于此多功能光學平臺蘊含多個光學通道,且可以多種方式實現(xiàn)不同通道圖案的無串擾切換,加之寫入的光學結(jié)構(gòu)能夠被重新編輯,其在防偽領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。為驗證此概念,他們制作了三種類型的防偽標簽,分別是基于二維碼的多階段加密標簽(圖4A);復(fù)合多色二維碼以及需雙重驗證的PUF的多層級加密標簽(圖4B);以及復(fù)合了三維彩碼和多色PUF的多層級加密標簽 (圖4C)。這些加密策略大大提高了防偽標簽的偽造難度,從而降低了信息泄露的風險。 


圖4:用于多級和多層加密的多功能壓印絲膜。(A)多級加密二維碼標簽。(B)復(fù)合了多色二維碼以及PUF的多層級防偽標簽。(C)復(fù)合了三維彩碼以及多色PUF的多層級防偽標簽。


  相較于2D平面光學成像平臺,具有3D空間結(jié)構(gòu)的光學平臺為信息編碼和多路復(fù)用提供了額外的空間自由度,進而可進一步增加成像維度和加密級別。如圖5所示,通過整合雙面正交光柵、衍射光學元件和3D構(gòu)型,實現(xiàn)了空間多方位信息展示,并進一步利用3D構(gòu)型對空間衍射圖案的調(diào)制,實現(xiàn)了高級3D加密。 


圖5:3D多向顯示和高級加密器件。(A)多面結(jié)構(gòu)色圖像和多方向全息圖像在單個立方體形狀中的集成。(B)通過可重寫的2D光柵結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)的結(jié)構(gòu)的編程組合來記錄和形成不同的集成衍射圖案。(C)基于可編程3D架構(gòu)的信息加密。


  綜上所述,該研究工作通過結(jié)合蛋白質(zhì)自組裝、2D 微/納米壓印和 3D 變形技術(shù)創(chuàng)建了一類微納結(jié)構(gòu)可多次擦寫、幾何形狀可重新編程的多功能光學成像平臺。由于壓印技術(shù)具有包括高通量、流程簡單和操作便捷等固有優(yōu)勢,相信隨著蠶絲蛋白材料大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的進步以及蠶絲蛋白光學系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)-性能-功能”關(guān)系的優(yōu)化,這些基于蛋白質(zhì)的多功能光學成像平臺將在之智能顯示、高安全加密和多層級防偽等領(lǐng)域顯示出巨大的實際應(yīng)用潛力。


  南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院王瑜副教授、陸延青教授為論文通訊作者,南京大學碩士研究生蔣暢為論文第一作者。南京大學是該論文的第一完成單位。南京大學陳鵬副教授和華中科技大學陶光明教授也為本工作提供了重要指導(dǎo)。研究工作受到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和“雙創(chuàng)“團隊等基金的支持。


  原文鏈接:https://authors.elsevier.com/a/1idh59Cyxd6qZ-

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(責任編輯:xu)
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