如今，人們對信息傳遞的多樣性和安全性的需求越來越大，促進了信息傳遞的快速發(fā)展加密信息存儲材料和防偽技術的發(fā)展。將動態(tài)結構色、色素色及熒光色組合在一個體系中，對多源動態(tài)加密信息進行編碼，并在給定條件下對特定信息進行解碼，是一種很有前景的信息加密儲存策略。然而，先前報道的具有熒光模式的光子晶體仍存在較多問題，它們在反射模式和發(fā)射模式下都顯示相同的信息，并且通常在反射模式下結構色靈敏度很低，因此開發(fā)出具有高靈敏度信息加密存儲器件非常具有挑戰(zhàn)性。

北京大學楊槐教授團隊報道了一種聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶(PSCLC)體系，該體系具有高溫靈敏的結構色、光敏色素色和熒光色。制備的膽甾相液晶(CLC)螺距隨著溫度的變化而改變，可以在很窄的溫度范圍內通過手指觸摸感應變色。樣品最初呈現(xiàn)紅色，在手指觸摸5 s后變?yōu)榫G色，再接觸4 s后又會變?yōu)樗{色(圖 1a)。此外，他們還引入螺吡喃化合物(SPBM)提供可切換的色素色和熒光色；具有聚集誘導發(fā)光性質的氰苯乙烯衍生物分子(AIE-CSD)提供可切換的顏色熒光，而且兩者之間可以發(fā)生能量共振轉移(FRET)，實現(xiàn)了熒光的逐級調控。他們還將這兩種熒光分子引入熱致變色PSCLC體系，通過信息編程可以寫入數(shù)十萬種信息，而且在反射模式和熒光模式下可以讀取不同的動態(tài)信息，這在信息加密和防偽方面顯示出巨大的潛力。

圖1. 具有高靈敏度結構色、光敏色素色和熒光色PSCLC體系原理圖。(a) 熱致變色反射模式; (b) 熒光分子異構化和FRET效應; (c) 光致變色發(fā)射模式。

已知CLC的折射率和螺距受溫度影響，通過改變溫度可以調節(jié)CLC折射率和螺距，從而影響CLC的SBR波長和顏色。先前報道的熱致變色CLC靈敏度較低，在實際應用中還存在很大的提升空間。本篇工作為了制備高靈敏度CLC進行了一系列探索。首先，他們采用掃描量熱法(DSC)探究了手性摻雜劑濃度對CLC體系靈敏度的影響。如圖 2a所示，增加手性摻雜劑的含量可以提高CLC對溫度的敏感性。然后，他們還制備了一系列化學結構與組成不同的樣品，并篩選出效果最佳的CLC。通過后續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)本工作報道的CLC體系對接近室溫范圍的溫度具有非常高的靈敏度，隨著溫度從27 ℃ 增加到30 ℃，結構色在3 ℃內迅速從紅色變?yōu)樗{色，相應的實物照片也顯示出相同的顏色變化，使我們能夠容易地通過體溫就改變其結構色。這種CLC在室溫附近的靈敏度超過了迄今為止報道的其它溫度響應材料。

圖2. 結構色的表征。(a) 不同重量比手性分子液晶的DSC曲線; (b) POM圖像; (c) 樣品照片; (d) 反射光譜; (e) 不同溫度下CLCs的相應CIE圖; (f) 不同溫度下S811的HTP值的變化; (g) 樣品在楔形細胞中POM圖像; (h) 溫度依賴性氫鍵的FT - IR光譜。

然而，單一的熱致變色性能無法實現(xiàn)更復雜和高級的功能，因此，他們嘗試將響應性色素分子SPBM引入CLC中來解決這一問題。將SPBM引入到CLC體系中，獲得了一種被稱為SCLC的復合材料。將SPBM中的色素色作為CLC結構色的背景，不僅保持了原來的高靈敏度，而且表現(xiàn)出增強的對比度。在4 ℃的溫度范圍內，SCLC可以實現(xiàn)從紅色到紫色的顏色變化。除此之外，SPBM還具有優(yōu)異的光致變色性能，通過紫外光將信息寫入，又可以通過可見光照射快速擦除。該材料體系在可編程動態(tài)信息存儲應用中具有巨大的潛力。

圖3. 色素色的表征。(a) 紫外激發(fā)過程中CLC混合物中SPBM的吸收光譜和(b)透射光譜; 透射光譜CLC (c)和SCLC (d)的溫度依賴性透射光譜; SCLC的反射光譜(e)和相應的CIE (f); (g) SCLC的動態(tài)熱致變色; (h) 在365 nm或520 nm照射下SCLC的可擦寫成像過程。

單獨的熒光色可以簡單的被復制或者取代，為了增強該過程的復雜性，他們通過將AIE-CSD引入到SCLC系統(tǒng)中實現(xiàn)了熒光逐級調節(jié)。為了闡明動態(tài)熒光變化的機理，他們還進行了吸收光譜和熒光光譜的表征。SPBM的熒光強度隨著紫外光的照射熒光逐漸增強，在300 s后幾乎達到最大值；而AIE-CSD的熒光強度隨著紫外光的照射逐漸減弱。此外，由于AIE-CSD的熒光峰與吸收峰部分重疊，AIE-CSD發(fā)射的能量被部分吸收，從而實現(xiàn)了高效的FRET。為了進一步驗證FRET，用紫外光在初始背景藍色熒光的薄膜中寫入信息，持續(xù)的紫外光照射下，背景熒光顏色從藍色變?yōu)榉奂t色，最后變?yōu)榧t色，導致圖案被掩蓋。并且紅色熒光可以通過充足的可見光照射消失并恢復為藍色熒光。類似地，音樂音符、蝴蝶和“USTB ”圖案也表現(xiàn)出動態(tài)熒光發(fā)射。所有這些結果都證明了FRET在SPBM和AIE-CSD之間。與SCLC相比，ASCLC不僅保持了更高的靈敏度和對比度，而且實現(xiàn)了動態(tài)熒光調諧。

圖4. 熒光色的表征。(a) AIE - CSD在紫外光照射下的吸收光譜; SPBM ( b )、AIE-CSD ( c )和ASCLC復合材料(d)的熒光光譜; (e) UV ( λ = 365 nm)照射150 s后ASCLC的吸收光譜和熒光發(fā)射光譜重疊; (f) ASCLC系統(tǒng)在UV照射下的可重寫成像過程，呈現(xiàn)動態(tài)熒光變化。

另外，還可以將該體系制備成具有高熱致變色性和穩(wěn)定性的PSCLC薄膜，由于曝光的時間不同，色素色和熒光色的強度也不同，曝光時間較長的區(qū)域顯示出明顯的色素色和紅色熒光，而曝光時間較短的區(qū)域顯示較淺的色素色和粉紅色熒光。將掩膜后的薄膜暴露在紫外光下可寫入圖案和顏色信息，再暴露在可見光下除了結構色圖案外，所有的顏料和熒光信息都被擦除，可用于進一步編程熒光信息。圖 5e顯示了12種不同的光學信息組合，通過讀取每個圖案的光學信息，并與圖6中定義縮寫組成的碼型組合，碼型組合與碼型之間具有一一對應的關系，只需要賦予編碼組合一個給定的內涵，利用適用的信息編碼表和解密規(guī)則就可以實現(xiàn)具有極高安全性的信息加密傳輸。

圖5. 器件表征圖。(a) 'bagua'圖案的制備過程示意圖; (b) 不同背景下對應的結構色信息; (c) 藍(左)、粉(中)、紅(右)三種具有代表性的熒光顏色; (d) 基于可調結構色和熒光顏色的'bagua'示意圖; (e-g) 不同" bagua "光學信息組合的數(shù)碼照片。

圖6. 圖案信息與代碼組合之間的對應關系。

綜上所述，本文提出了一種具有高溫敏性結構色和光敏性色素色和熒光色的PSCLC體系。所制備的CLC表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度敏感性，在3 ℃范圍內結構色從紅色變?yōu)樗{色，可用體溫進行驅動。其中引入的SPBM提供可切換的色素色和紅色熒光；AIE-CSD提供可切換的藍色熒光。SPBM在持續(xù)光照下從非光致發(fā)光轉變?yōu)楣庵掳l(fā)光，并且它的光致發(fā)光吸收峰與AIE-CSD的熒光發(fā)射峰部分重疊，可形成有效的FRET供體-受體對。其中AIE-CSD作為供體可以提供強的藍色熒光發(fā)射，SPBM作受體在紫外光和可見光照射下發(fā)生可逆異構化，熒光強度也隨之改變。因此，在PSCLC體系中可實現(xiàn)熒光的逐級調諧，可以從藍色到粉紅色，最后轉變?yōu)槊髁恋募t色，在信息加密和防偽方面具有巨大的潛力。