基于柔性超分子连接的乐高式可编程水凝胶组装体实现高容量信息编码

为解决宏观材料信息编码难题，研究人员开发了基于刺激响应水凝胶(BT /BI2 /BUV )和静电相互作用的模块化自组装(MSA)系统。通过温度/氧化还原/紫外光正交刺激调控，结合PDMC/PAA修饰实现1.9 kN/m2 界面结合力，构建5×5阵列可存储8000亿种信息，为动态信息存储提供新范式。

　　

在自然界中，生物系统通过精妙的分子编码实现复杂组装，如DNA碱基配对指导蛋白质合成。然而，将这种精密的信息编码能力扩展到宏观材料领域始终面临巨大挑战。现有技术如DNA杂交虽在纳米尺度表现优异，但宏观尺度下却难以建立可靠的连接方式和编码策略。更关键的是，传统3D打印编码结构固定不可变，严重限制了信息存储的灵活性和容量。这些瓶颈促使科学家们思考：能否像玩乐高积木一样，让宏观材料实现可编程的动态组装？

针对这一科学难题，中国某研究机构的研究团队在《Supramolecular Materials》发表创新成果。他们巧妙地将刺激响应水凝胶与超分子化学相结合，开发出具有乐高式连接特性的模块化自组装系统。通过温度响应型B_T
、氧化还原响应型B_I2
和紫外响应型B_UV
三种水凝胶的有机组合，配合PDMC/PAA修饰产生的静电相互作用，成功构建出可动态重构的高容量信息编码平台。这项研究不仅实现了8000亿种信息的存储能力，更开创了宏观材料信息编码的新范式。

研究采用四项关键技术：1) 模板法制备毫米级刺激响应水凝胶；2) 原位微天平测量界面结合力；3) 正交刺激响应测试系统(温度/碘溶液/UV光)；4) Lab色彩模型定量表征颜色变化。通过系统优化组分比例和表面修饰条件，确保组装体兼具稳定性和响应灵敏度。

【Fabrication of stimuli-responsive hydrogel systems】
研究团队以HEMA为单体，通过模板法成功制备3mm立方体水凝胶。关键创新在于将热致变色红粉、淀粉和钼酸铵分别嵌入PHEMA网络，形成温度响应型B_T
(红)、氧化还原响应型B_I2
(黑)和光响应型B_UV
(绿)水凝胶。SEM证实功能材料均匀分布，L*值测试显示B_T
在9℃显色、21℃褪色；B_I2
经碘/VC处理实现黑白可逆转变；B_UV
在UV照射18分钟显绿色，70℃加热60分钟恢复。

【MSA behavior of B_T
, B_I2
and B_UV
】
通过PDMC/PAA表面修饰赋予水凝胶正/负电荷，实现类似乐高的模块化组装。微天平测试显示异性电荷组件界面结合力达1.9 kN/m²
，远超同性电荷的<10 N/m²
。这种选择性组装特性使得B_T-PAA
/B_UV-PDMC
/B_I2-PAA
等组合能形成稳定二聚体甚至三聚体，为信息编码奠定结构基础。

【Fabrication and characteristics of information code】
将功能化水凝胶按特定顺序组装成5×5阵列，通过刺激组合实现信息转换。例如初始Code 0经UV/碘溶液/7℃处理可转换为含校徽图案的Code G。更突破性的是，通过"剪切-替换"或完全重组策略，配合阵列扩展至6×6，实现信息的动态更新和容量升级。智能手机扫描验证了编码的可识别性，且经多次刺激循环仍保持稳定。

【Storage capacity of information code】
理论计算表明，当使用全部三种组件时，信息容量遵循4·(3^N×N
-3·(2^N×N
-2)?3)/4的指数增长规律。5×5阵列即可存储8000亿种信息，远超传统二维码。这种容量优势主要来源于：1) 四色状态(红/黑/绿/无色)的组合；2) 正交刺激的协同调控；3) 组件的空间排列多样性。

这项研究开创性地将超分子组装与刺激响应材料相结合，解决了宏观材料信息编码的三大核心难题：连接可靠性、动态重构性和容量局限性。其科学价值体现在：1) 首次实现宏观尺度乐高式可编程组装；2) 建立界面作用力定量调控方法；3) 开发出目前最高容量的动态信息编码系统。在应用层面，该技术为智能医疗标签、防伪加密、环境响应型传感器等领域提供了全新解决方案。特别是组件可重复使用的特性，显著降低了信息存储的物料成本，符合可持续发展理念。这项跨学科研究不仅推动了超分子化学与信息科学的融合，更为未来智能材料的设计提供了范式转变。