近日，河南大學張文凱教授與釜山國立大學Gil Ju Lee副教授團隊合作，在可編程水凝膠摻雜多色碳點領域研究中取得重要進展，相關成果以“Solvent-Programmable Photonic Hydrogels with Tunable Transmittance, Fluorescence, and Diffraction"為題發表在國際知*期刊《Chemistry of Materials》上。

本研究成功開發了一種基于非溶劑誘導相分離（NIPS）機制的溶劑可編程光子水凝膠，該體系通過單一刺激信號同步實現了透射、熒光與衍射的三模態可逆光學調控，為多模態防偽與可編程光子器件提供了新材料平臺。該水凝膠由摻雜紅色熒光碳點（CDs）的聚乙烯醇/聚丙烯酰胺（PVA/PAAm）互穿網絡構成，其中碳點兼具光引發劑與熒光發射體的雙重功能。當暴露于乙醇/水混合物時，滲透壓失衡觸發水凝膠發生微觀相分離，形成折射率各異的聚合物富集域與貧乏域。這一結構重構直接引發三種協同的光學響應：首先，微米級的結構異質性導致強烈的米氏散射，使可見光透射率從>60%急劇下降至<2%，材料由透明轉變為不透明；其次，熒光強度在相分離態下獲得超過26倍的顯著增強，其機理歸因于乙醇環境對碳點非輻射躍變的極性抑制，以及相分離域對激發光產生的散射約束效應共同作用；再者，通過軟光刻技術在凝膠表面集成的微光柵結構，會因溶劑交換引發的體積收縮而改變其周期常數，進而實現衍射角的動態調控。值得強調的是，這三種光學模態的切換完*可逆，且均受控于同一NIPS物理過程，確保了響應的一致性與可靠性。

該水凝膠的多模態光學性能及其協同增強機制得到了系統的實驗驗證。利用卓立漢光RTS2顯微熒光光譜儀等關鍵設備進行的熒光動力學分析表明，熒光增強呈現顯著的溶劑極性依賴性，同時在乙醇濃度超過80%時，因相分離導致的散射貢獻使增強效應呈非線性躍升，這與熒光壽命從3.07 ns延長至5.08 ns所證實的非輻射通道抑制結論相符。時間分辨透射率與熒光強度監測共同證實，所有光學變化在多次水-乙醇循環中均表現出優異的可逆性與耐久性。基于上述原理，研究進一步展示了其在高級信息加密中的應用潛力：將圖案化水凝膠作為加密單元構建的智能窗口，能夠在白光、紫外激發及斜射照明下，分別通過透明度切換、熒光激活與衍射斑移動實現正交、步進式的三重解密。該工作不僅闡明了一種通過NIPS協同調控光與物質相互作用的高效策略，也展現了該多功能材料體系在動態光學加密與智能顯示領域的廣闊應用前景。

圖1. NIPS驅動智能水凝膠實現透射/熒光/衍射多模態光學調控

圖3.水凝膠在相分離與非相分離循環照片與透射測試圖像

圖4 乙醇誘導相分離對PVA/PAAm-CD水凝膠熒光的調控：(a,b) 熒光照片顯示乙醇中增強與水中的恢復；(c) 相分離態熒光光譜顯著增強；(d) 不同濃度乙醇中的熒光強度時程曲線；(e) 熒光增強比與溶劑極性/PLQY的關聯；(f) 五次循環驗證熒光開關的可逆性。

圖5  (a) 溶劑可編程光子水凝膠智能窗口及其多模態加密顯示機制示意圖；(b) 水、50%和100%乙醇環境中依賴于溶劑的白光及熒光圖案顯示；(c) 蝴蝶圖案智能光子窗口在乙醇誘導相分離下的多模態響應。

配置推薦

本文使用北京卓立漢光儀器有限公司的RTS2顯微熒光光譜儀（300 mm焦距）（目前已升級為OmniFluo-FLIM顯微熒光壽命成像系統），以405 nm激光激發，50倍物鏡，精準獲取了水凝膠像素的熒光增強光譜與衍射位移信號。

卓立漢光OmniFluo-FLIM顯微熒光壽命成像系統

作者簡介

張文凱，男，河南大學化學與分子科學學院教授、博士生導師，河南省高校青年骨干教師、開封市科技創新人才。2008-2013年在中山大學高分子化學與物理專業攻讀博士學位，2019-2020赴Mississippi State University化學系訪學。2013年7月進入河南大學化學與分子科學學院工作，歷任講師、副教授、教授。主要研究方向為柔性智能光子材料與光學加密應用，主持國家自然科學基金2項，省級以上項目5項；以*一/通訊作者在Chemistry of Materials、J. Mater. Chem. C等國際權*期刊發表SCI論文30余篇，獲授*國家發明專*5項。研究成果獲河南省軍民科技協同創新大賽獎、河南省科*廳自然科學學術論文獎等榮譽。

Gil?Ju?Lee（李吉柱），現任韓國釜山國立大學（Pusan National University）電氣電子工程學院副教授，領**進光子與光電子實驗室（APOL）。他本科畢業于釜山國立大學電子工程系，以優異成績獲學士學位，后于光州科學技術院（GIST）取得電氣電子與計算機科學博士學位，并獲總統獎學金資助。其研究領域涵蓋光電子學、納米光子學、光學器件及人工視覺系統，已發表學術論文百余篇，總引用量超3900次。李教授長期致力于新型光電器件與未來光通信技術研究，積極培養青年科研人才，其研究成果在國際光電子領域具有重要影響。