东华大学陈海杰、杨丽丽AFM：新型仿生驱动器实现形态-色彩双重加密与自适应伪装

摘要：在数字化信息时代，安全数据存储与传输的需求日益增长，现代安全系统对智能加密材料提出了更高要求。尽管目前已报道了许多基于光学特性（如颜色、透明度、荧光等）的视觉型加密材料，但其功能仍较为单一，缺乏形态与色彩协同响应的能力。自然界中许多生物通过形态与颜色的同步变化

在数字化信息时代，安全数据存储与传输的需求日益增长，现代安全系统对智能加密材料提出了更高要求。尽管目前已报道了许多基于光学特性（如颜色、透明度、荧光等）的视觉型加密材料，但其功能仍较为单一，缺乏形态与色彩协同响应的能力。自然界中许多生物通过形态与颜色的同步变化实现沟通与伪装，这为开发新型集成化加密材料提供了重要灵感。

近日，东华大学陈海杰、杨丽丽合作提出了一种基于非接触光刺激的视觉-形态集成加密驱动器。该器件采用双层结构设计，底层为多壁碳纳米管掺杂的液晶弹性体（MWCNT-LCE），上层为胆甾相液晶弹性体（CLCE）。在近红外光（NIR）照射下，MWCNT-LCE层发生相变引起形状变化，同时CLCE层螺旋结构收缩导致结构色发生全光谱偏移（波长变化达240纳米），实现了可编程形变与色彩调节的协同响应，可编码加密超过4300万条信息，并展现出在自适应伪装领域的应用潜力。相关论文以“ Bioinspired Actuators with Morphological–Chromatic Coupling for Information Encryption and Adaptive Camouflage ”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Li Yuqing。

图1展示了该研究的灵感来源与工作原理。受佩隆树蛙在环境中同步改变形态与颜色的启发，研究者设计了一种双层软驱动器。在NIR照射下，底层发生光热相变引起收缩，上层CLCE的螺距随之改变，从而实现从蓝色到红色的全光谱色彩变化。图2详细说明了材料的制备过程，通过两步硫醇-丙烯酸酯点击化学反应构建双层结构，FTIR光谱显示官能团完全反应，表明材料合成成功。通过调节手性剂浓度，可实现红、绿、蓝等不同初始结构色，并可拼接成多彩图案。

图1. （a）灵感来源：佩隆树蛙的形态-色彩协同伪装策略。（b）基于硫醇-丙烯酸酯点击化学的双层LCE结构示意图。（c）在NIR照射下，MWCNT-LCE发生相变引起形变，CLCE层螺距变化导致色彩偏移。（d）仿生花朵在光驱动下的开合与变色行为示意图。

图2. （a）CLCE@MWCNT-LCE薄膜的两步法制备流程。（b）CLCE@MWCNT-LCE的FTIR/ATR光谱。（c）不同手性剂含量下薄膜的反射光谱与照片，分别呈现红、绿、蓝色，以及通过切割拼接制备的多色图案（比例尺：5 mm）。

图3系统研究了材料的变形性能。随着MWCNT掺杂量增加，复合材料的光热响应增强，最佳掺杂量为5 wt%，可在15秒内达到相变温度，实现快速光驱动形变。SAXS分析表明材料具有典型的向列相特征，分子取向有序参数（S）较高，保证了大幅可逆变形能力。图4则展示了材料在热驱动下的色彩变化行为。随着收缩应变从0%增加至30%，反射波长从440 nm红移至680 nm，颜色由蓝经绿、黄最终变为红色。SEM图像显示CLCE层螺距从313 nm增大至456 nm，证实了宏观色彩变化源于微观结构的改变。

图3. （a）MWCNT-LCE薄膜形变值L/L₀随温度变化曲线。（b）不同MWCNT含量薄膜的近红外-可见吸收光谱。（c）NIR照射下薄膜表面温度随时间变化。（d）不同MWCNT含量下的形变率。（e）NIR照射前后薄膜照片与红外热成像图。（f）MWCNT-LCE薄膜在加热过程中的SAXS图谱。（g）NIR照射下薄膜弯曲行为示意图与照片。

图4. （a）60°C加热下CLCE@MWCNT-LCE薄膜因收缩变形引起的色彩变化（收缩误差范围：±1%）。（b）不同收缩应变下的反射光谱。（c）CIE 1931色彩空间中反射色坐标变化。（d,e）CLCE层初始状态与收缩后的截面SEM图像。（f,g）CLCE层偏振光显微镜图像（未旋转与旋转45°）。（h）CLCE层厚度变形与长度变形关系。（i）反射中心波长与厚度变形关系。（j）热响应可逆变色循环曲线。

图5和图6进一步展示了该材料在信息加密与防伪中的应用。通过光掩模与紫外曝光结合，可制备具有多色区域的图案化薄膜。在NIR照射下，图案发生形变与色彩同步变化，实现信息的动态加密与解密。每个空间单元可编程为不同结构色，支持超过4300万种信息组合，且具有“阅后即焚”的自擦除功能，显著提升了信息安全性。图7则模拟了佩隆树蛙的伪装策略，制备了具有环境自适应能力的仿生皮肤。在不同背景（绿叶与红叶）下，材料可通过光驱动调节色彩，使其反射光谱与背景高度匹配，色差ΔE*ab最低仅为4.04，表现出优异的伪装效果。