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为解决制备兼具机械响应变色能力和优异机械强度的光子水凝胶的难题，研究人员开展了基于纤维素纳米晶体（CNC）的光子水凝胶研究。通过一步合成法，获得了机械性能增强的水凝胶，还构建了新型防伪标签，推动了相关领域发展。
在材料科学领域，聚合物水凝胶作为一类智能软材料，凭借其独特的三维网络结构，能对 pH、湿度、溶剂等多种环境刺激产生显著响应，在可穿戴软电子、传感和防伪等众多前沿领域展现出巨大的应用潜力。尤其是受变色龙启发的光子水凝胶，能对外界应变、力或压力做出结构色调节响应，更是吸引了众多科研人员的目光。
然而，水凝胶的高含水量往往导致其机械强度较弱，难以满足实际应用需求。按照 Lake–Thomas 理论，松散交联的水凝胶网络机械性能软且弱，而紧密交联的网络又呈现出刚性和脆性。同时，目前制备基于 CNC 的光子水凝胶通常涉及复杂的多步合成路线，且集成 CNC 后的水凝胶机械性能常因 CNC 与水凝胶基质间的弱相互作用而受损，在光学性能和机械强度之间也难以达到平衡。这些问题严重限制了光子水凝胶的进一步发展与应用。
为攻克这些难题，来自国内研究机构的研究人员开展了深入研究。他们通过光引发平衡的 CNC 和丙烯酰胺（AM）前体的聚合反应，制备出了具有增强机械性能的光子水凝胶。研究发现，精确控制 CNC 和 AM 前体的平衡时间，对于在水凝胶中实现长程有序结构至关重要，而这种有序结构是水凝胶对压力和拉力产生机械变色响应的必要条件。最终，制备出的水凝胶展现出高强度（257 KPa）、高韧性（405 KJ m?3）和高弹性（310 %），远超具有短程有序和完全无序结构的水凝胶。此外，研究人员还利用水凝胶的机械变色特性和特定应力敏感性，构建了两种类型的防伪标签，相比传统标签，大大增强了信息加密效果 。这一研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，为光子水凝胶在多功能光学应用领域开辟了新的道路。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用硫酸（H?SO?）水解滤纸的方法制备纤维素纳米晶体（CNC）；然后，通过光引发聚合技术，实现 CNC 和 AM 前体的聚合反应；最后，通过调控 CNC 和 AM 前体的平衡时间以及重排角度，探究其对光子水凝胶形成的影响。
平衡时间和重排角度对光子水凝胶形成的影响
研究人员通过硫酸水解法制备的 CNC 呈现针状形态，平均直径约 15 nm，长度在 200 - 300 nm 之间。他们发现，CNC 自组装成胆甾型液晶相是光子水凝胶形成的关键过程，而平衡时间对所得水凝胶的组织结构和光学特性影响此前未被深入研究。经过实验探究，精确控制平衡时间能获得长程有序的水凝胶结构，这为后续的性能优化奠定了基础。同时，调节 CNC 和 AM 前体的重排角度，水凝胶展现出不同的结构色应力敏感性，进一步拓展了水凝胶在光学领域的应用潜力。
结论
研究人员成功合成了基于 CNC 的光子水凝胶，该水凝胶兼具卓越的机械强度和动态光学响应能力。精确调节前体平衡时间和重排角度是获得长程有序水凝胶的关键。这些水凝胶不仅具备高强度、高韧性和高弹性，还拥有显著的抗疲劳性和能量耗散能力。增强的机械强度使得水凝胶在实际应用中更具稳定性和可靠性，而独特的机械变色特性和应力敏感性为防伪标签等信息加密领域提供了新的解决方案，极大地推动了光子水凝胶在多功能光学应用领域的发展，有望为相关产业带来创新性的变革。
