近日，長春理工大學(xué)張健夫教授、蘇忠民教授團(tuán)隊(duì)受苜蓿草啟發(fā)開發(fā)了一種具有多重刺激響應(yīng)的聚氨酯驅(qū)動器，基于動態(tài)智能的顏色與形態(tài)切換策略實(shí)現(xiàn)了從3D到4D的信息加密應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表于期刊到Adv. Funct. Mater.上。
自然通信方法啟發(fā)了復(fù)雜人工智能材料的設(shè)計(jì)，這些材料能對復(fù)雜刺激做出連貫且豐富的響應(yīng)，對動態(tài)加密系統(tǒng)和高密度信息存儲等應(yīng)用至關(guān)重要。但現(xiàn)有材料受限于單一刺激響應(yīng)，缺乏動態(tài)、連續(xù)、可編程變化能力。為此，開發(fā)了一種生物啟發(fā)型多色熒光聚氨酯驅(qū)動器，結(jié)合動態(tài)顏色和形狀適應(yīng)性于一體。它模仿酢漿草的膨壓驅(qū)動運(yùn)動，通過親水/疏水差異化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水?dāng)U散、氫鍵和動態(tài)鍵交換。該驅(qū)動器能響應(yīng)溫度、pH和激發(fā)波長等多種刺激，展現(xiàn)可逆多態(tài)變形和可編程熒光，覆蓋紅、綠、藍(lán)甚至白光。其變形行為經(jīng)有限元模擬，確保精確控制和可預(yù)測性。此外，依據(jù)驅(qū)動器的可調(diào)三色熒光設(shè)計(jì)了3D和4D信息編碼系統(tǒng)，提升了信息存儲容量和加密安全性。利用微加工技術(shù)制造微型光學(xué)加密芯片，為水下通信加密技術(shù)和自適應(yīng)材料鋪平了道路。
圖1. 本工作的設(shè)計(jì)思路和部分表征結(jié)果
圖2. 聚氨酯驅(qū)動器的溶脹運(yùn)動過程與有限元模擬
圖2展示了聚氨酯驅(qū)動器的膨脹運(yùn)動和特性。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和自愈測試，揭示了不同聚氨酯材料的力學(xué)性能和自愈能力，其中WPU-A在高溫下表現(xiàn)出更高的自愈效率。水?dāng)U散系數(shù)的測試表明WPU-A的擴(kuò)散能力更強(qiáng)。驅(qū)動器在水觸發(fā)下快速彎曲并保持高循環(huán)穩(wěn)定性。有限元模型進(jìn)一步模擬了膨脹過程，驗(yàn)證了其對環(huán)境刺激的響應(yīng)性，為智能材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要參考。
圖3. 時(shí)間依賴的4D加密模型
總之，開發(fā)了一種基于智能、多色和可逆多態(tài)聚氨酯的生物啟發(fā)式驅(qū)動器，成功模擬了自然系統(tǒng)對外部刺激的協(xié)調(diào)多響應(yīng)適應(yīng)性。通過構(gòu)建親水/疏水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并利用界面處的動態(tài)鍵合，利用水?dāng)U散和氫鍵相互作用來實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性和可逆變形，類似于酢漿草中觀察到的膨脹和壓縮運(yùn)動等生物機(jī)制。驅(qū)動器結(jié)合了形狀變形和多色熒光轉(zhuǎn)換，包括依賴波長的發(fā)射，能夠響應(yīng)各種刺激，如堿性條件和溫度；谌珶晒獾霓D(zhuǎn)換可編碼3D和4D信息加密模型，為時(shí)間依賴的多模式信息編碼系統(tǒng)提供了極大的靈活性。驅(qū)動器的多維刺激響應(yīng)能力為高級加密技術(shù)和自適應(yīng)材料開辟了新的途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)高容量和靈活的數(shù)據(jù)編碼，從而在信息加密領(lǐng)域（例如水下通信）具有廣闊的應(yīng)用前景。最后，由于水性聚氨酯的熱塑性，該驅(qū)動器在需要響應(yīng)性、多功能材料的領(lǐng)域具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的潛力，并且可以進(jìn)行微加工以滿足更苛刻的使用場景。
工作以“4D encryption system: Hydrophilic–hydrophobic polyurethane actuators with smart color switching for high‐capacity data storage”為題，長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院在讀博士生劉金芳為第一作者，張健夫教授、蘇忠民教授為通訊作者。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22275023）、吉林省“長白英才”計(jì)劃的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202501801
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