用户速递丨河南大学张文凯教授：动态可调光子水凝胶实现多模态光学响应与信息加密

近日，河南大学张文凯教授与釜山国立大学Gil Ju Lee副教授团队合作，在可编程水凝胶掺杂多色碳点领域研究中取得重要进展，相关成果以“Solvent-Programmable Photonic Hydrogels with Tunable Transmittance, Fluorescence, and Diffraction”为题发表在国际知名期刊《Chemistry of Materials》上。

应用方向：动态加密、防伪、智能显示、可编程光子器件。

本研究成功开发了一种基于非溶剂诱导相分离（NIPS）机制的溶剂可编程光子水凝胶，该体系通过单一刺激信号同步实现了透射、荧光与衍射的三模态可逆光学调控，为多模态防伪与可编程光子器件提供了新材料平台。该水凝胶由掺杂红色荧光碳点（CDs）的聚乙烯醇/聚丙烯酰胺（PVA/PAAm）互穿网络构成，其中碳点兼具光引发剂与荧光发射体的双重功能。当暴露于乙醇/水混合物时，渗透压失衡触发水凝胶发生微观相分离，形成折射率各异的聚合物富集域与贫乏域。这一结构重构直接引发三种协同的光学响应：首先，微米级的结构异质性导致强烈的米氏散射，使可见光透射率从>60%急剧下降至<2%，材料由透明转变为不透明；其次，荧光强度在相分离态下获得超过26倍的显著增强，其机理归因于乙醇环境对碳点非辐射跃变的极性抑制，以及相分离域对激发光产生的散射约束效应共同作用；再者，通过软光刻技术在凝胶表面集成的微光栅结构，会因溶剂交换引发的体积收缩而改变其周期常数，进而实现衍射角的动态调控。值得强调的是，这三种光学模态的切换完全可逆，且均受控于同一NIPS物理过程，确保了响应的一致性与可靠性。

该水凝胶的多模态光学性能及其协同增强机制得到了系统的实验验证。利用卓立汉光RTS2显微荧光光谱仪等关键设备进行的荧光动力学分析表明，荧光增强呈现显著的溶剂极性依赖性，同时在乙醇浓度超过80%时，因相分离导致的散射贡献使增强效应呈非线性跃升，这与荧光寿命从3.07 ns延长至5.08 ns所证实的非辐射通道抑制结论相符。时间分辨透射率与荧光强度监测共同证实，所有光学变化在多次水-乙醇循环中均表现出优异的可逆性与耐久性。基于上述原理，研究进一步展示了其在高级信息加密中的应用潜力：将图案化水凝胶作为加密单元构建的智能窗口，能够在白光、紫外激发及斜射照明下，分别通过透明度切换、荧光激活与衍射斑移动实现正交、步进式的三重解密。该工作不仅阐明了一种通过NIPS协同调控光与物质相互作用的高效策略，也展现了该多功能材料体系在动态光学加密与智能显示领域的广阔应用前景。

图1. NIPS驱动智能水凝胶实现透射/荧光/衍射多模态光学调控

图3.水凝胶在相分离与非相分离循环照片与透射测试图像

图4 乙醇诱导相分离对PVA/PAAm-CD水凝胶荧光的调控：(a,b) 荧光照片显示乙醇中增强与水中的恢复；(c) 相分离态荧光光谱显著增强；(d) 不同浓度乙醇中的荧光强度时程曲线；(e) 荧光增强比与溶剂极性/PLQY的关联；(f) 五次循环验证荧光开关的可逆性。

图5  (a) 溶剂可编程光子水凝胶智能窗口及其多模态加密显示机制示意图；(b) 水、50%和100%乙醇环境中依赖于溶剂的白光及荧光图案显示；(c) 蝴蝶图案智能光子窗口在乙醇诱导相分离下的多模态响应。

关于此文章的更多细节请点击以下原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c00987

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本文使用北京卓立汉光仪器有限公司的RTS2显微荧光光谱仪（300 mm焦距）（目前已升级为OmniFluo-FLIM显微荧光寿命成像系统），以405 nm激光激发，50倍物镜，精准获取了水凝胶像素的荧光增强光谱与衍射位移信号。

卓立汉光OmniFluo-FLIM显微荧光寿命成像系统

作者简介

张文凯，男，河南大学化学与分子科学学院教授、博士生导师，河南省高校青年骨干教师、开封市科技创新人才。2008-2013年在中山大学高分子化学与物理专业攻读博士学位，2019-2020赴Mississippi State University化学系访学。2013年7月进入河南大学化学与分子科学学院工作，历任讲师、副教授、教授。主要研究方向为柔性智能光子材料与光学加密应用，主持国家自然科学基金2项，省级以上项目5项；以第一/通讯作者在Chemistry of Materials、J. Mater. Chem. C等国际权威期刊发表SCI论文30余篇，获授权国家发明**5项。研究成果获河南省军民科技协同创新大赛奖、河南省科技厅自然科学学术论文奖等荣誉。

Gil Ju Lee（李吉柱），现任韩国釜山国立大学（Pusan National University）电气电子工程学院副教授，领导先进光子与光电子实验室（APOL）。他本科毕业于釜山国立大学电子工程系，以优异成绩获学士学位，后于光州科学技术院（GIST）取得电气电子与计算机科学博士学位，并获总统奖学金资助。其研究领域涵盖光电子学、纳米光子学、光学器件及人工视觉系统，已发表学术论文百余篇，总引用量超3900次。李教授长期致力于新型光电器件与未来光通信技术研究，积极培养青年科研人才，其研究成果在国际光电子领域具有重要影响。