基于4D变形水凝胶的多模态几何门控加密技术研究

《Nature Communications》：

《自然·通讯》推荐：针对传统光学加密易被破解的难题，浙江大学团队创新性地开发了具有4D变形能力的P(NIPAm-co-Tpy)水凝胶系统。通过耦合热致收缩应力与弹性恢复应力，实现了可编程的正/负双向形变（弯曲或展平），结合镧系离子荧光图案化技术，构建了兼具几何验证与光学加密的双通道安全体系。该研究为信息防伪提供了不可预测的动态加密新策略，突破了现有材料单一形变的局限。

　　

在信息爆炸的时代，数据安全如同现代社会的"达摩克利斯之剑"。传统光学加密技术虽然广泛应用，却面临着"道高一尺魔高一丈"的挑战——即便采用最复杂的荧光分子或量子点图案，破解者仍能通过反复试错获取信息。这就像用隐形墨水书写秘密，一旦被人发现显影方法，所有加密都将形同虚设。更棘手的是，现有加密材料往往只能实现单一的形变模式，如同只会做固定手势的哑语者，严重限制了信息容量和安全性。

针对这一双重困境，浙江大学高分子系的Xin Wen、Qian Zhao团队另辟蹊径，从古老手语获得灵感，开发出具有"几何谜题"特性的智能水凝胶系统。他们巧妙利用热响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)与三联吡啶丙烯酸酯(Tpy-A)的协同作用，通过调控聚合方式（热引发TIH/光引发PIH）和交联剂BIS含量，使材料在相同化学组成下产生完全相反的形变方向——如同魔术师手中的扑克，看似相同却能变幻出意想不到的形态。这项突破性研究以"Multi-mode geometrically gated encryption with 4D morphing hydrogel"为题发表在《自然·通讯》上，为动态加密材料开辟了新维度。

关键技术方法包括：1）梯度离子印刷构建Fe³⁺浓度梯度；2）热/光引发聚合调控聚合物链取向；3）镧系离子(Eu³⁺/Tb³⁺)荧光标记与Fe³⁺猝灭的图案化加密；4）有限元模拟分析应力耦合机制；5）多编程路径（螺旋/扭转）验证几何信息。

结果解读
材料设计与形变调控
研究团队合成的P(NIPAm-co-Tpy)水凝胶具有双重响应特性：热致脱溶胀引发弯曲（正形变），而预拉伸链的弹性恢复导致展平（负形变）。通过调整BIS交联剂含量（0.25-1wt%），材料模量临界值为30kPa，低于该值时PIH呈现负形变（展平角度达170°），而TIH则表现正形变（弯曲至10°）。这种"形变方向开关"效应源于两种应力的竞争——当弹性恢复应力占比＞30%时主导负形变。

隐藏的几何密码
通过螺旋编程的样品在加热后呈现截然不同的形态：TIH收缩为紧密螺旋（直径缩小40%），而PIH却反常地展开。这种不可预测性构成了第一重加密。更巧妙的是，扭转编程的PIH会形成螺旋结构，其螺距变化对应ASCII码的二进制序列（平直=0，螺旋=1），可独立编码26个字母。

双通道加密验证
将"RETURN"字样分别编码在TIH/PIH区域后，只有通过正确编程路径（如扭转）加热解密，才能显示真实信息"RUN"。错误路径下，虽然能部分显示"ETR"字符，但几何形态与预设不符即判定为无效。这种"形态-光学"双因子认证，如同需要同时输入密码和指纹的保险箱，极大提升了安全性。

结论与展望
该研究突破了加密材料的三大局限：1）将信息容量从静态图案扩展至动态几何序列；2）通过应力耦合实现形变方向的可编程隐藏；3）创建独立于光学通道的几何验证体系。这种4D加密水凝胶（3D空间+时间维度）在防伪标签、机密通信等领域具有应用潜力。未来或可结合机器学习优化形变密码库，发展更复杂的"材料密码学"。正如古埃及人用象形文字守护法老秘密，这种会"变形术"的水凝胶正在为数字时代铸造新的安全盾牌。