3D信息顯示系統(tǒng)研究取得進(jìn)展
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自然界中,頭足類動物通過肌肉牽引色素細(xì)胞使其發(fā)生機(jī)械性擴(kuò)張/收縮變化的方式,動態(tài)改變皮膚局部或整體的顏色,從而傳遞警示、求偶信息或偽裝保護(hù)自身。受此啟發(fā),近十年間,國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了眾多信息顯示及變色偽裝系統(tǒng),如利用熒光分子直接在基底材料上書寫靜態(tài)信息或者通過刺激響應(yīng)的可逆共價作用或非共價網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑動態(tài)信息。然而,單一的顯示模式加劇了信息被破譯的風(fēng)險,而這些策略難以在制備后實(shí)現(xiàn)靜態(tài)信息與動態(tài)信息模式間的轉(zhuǎn)換,更無法根據(jù)環(huán)境的變化按需切換兩種顯示模式。因此,與頭足類動物的變色能力相比,現(xiàn)有的信息顯示系統(tǒng)在變色機(jī)制與顯示結(jié)果上依然存在較大的差距與不足。
近年來,通過對頭足類動物皮膚的解剖分析,研究人員逐漸了解其核心的變色機(jī)制。頭足類動物會將感受到的外界刺激轉(zhuǎn)換為生物電信號,并通過神經(jīng)遞質(zhì)傳遞到包裹色素細(xì)胞的徑向肌肉細(xì)胞膜上。這些生物電信號會觸發(fā)徑向肌肉的舒張/收縮,從而帶動色素細(xì)胞發(fā)生體積變化,實(shí)現(xiàn)皮膚顏色的動態(tài)變化。除此之外,依據(jù)對環(huán)境需求的分析,頭足類動物還會在體內(nèi)定點(diǎn)釋放神經(jīng)抑制劑(乙酰膽堿)來重置膜電位,精準(zhǔn)地使某些包裹色素細(xì)胞的徑向肌肉細(xì)胞失活,進(jìn)而阻礙局部色素細(xì)胞的收縮,以實(shí)現(xiàn)對皮膚顏色的定制化控制。一段時間后,這些分泌的乙酰膽堿會被代謝吸收,使肌肉細(xì)胞重新恢復(fù)變形能力。正是依靠色素細(xì)胞周圍肌肉組織的獨(dú)特化學(xué)門控驅(qū)動策略,頭足類動物得以在不改變自身色素細(xì)胞排列與組成的情況下,基于“電觸發(fā)-肌肉驅(qū)動-色素細(xì)胞變形”的方式實(shí)現(xiàn)皮膚的多色化與圖案化以適應(yīng)環(huán)境的動態(tài)變化。因此,在人工信息系統(tǒng)中,設(shè)計開發(fā)類似的門控單元以實(shí)現(xiàn)“單輸入-多輸出”及動態(tài)/靜態(tài)協(xié)同的模式,對于現(xiàn)有信息顯示及加密過程具有科學(xué)意義。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤、路偉團(tuán)隊致力于熒光高分子水凝膠的仿生構(gòu)筑及其功能與智能調(diào)控研究。近日,該團(tuán)隊與寧波大學(xué)教授趙傳壯團(tuán)隊合作,模仿頭足類動物化學(xué)門控的變色偽裝行為,報道了化學(xué)門控的水凝膠驅(qū)動系統(tǒng),以此實(shí)現(xiàn)了熒光信息的3D多模態(tài)顯示。該團(tuán)隊設(shè)計合成了偶氮丙烯酰胺單體(ABAM),將其與丙烯酰胺(AAm)單體共聚得到P(AAm-co-ABAM)水凝膠。在此凝膠體系中,由于偶氮苯基團(tuán)的疏水作用,聚合物鏈被拉近,促使鏈間丙烯酰胺鏈段的氫鍵供體(-NH2)與氫鍵受體(C=O)彼此之間形成鏈?zhǔn)綒滏I,誘導(dǎo)體系產(chǎn)生具有最高臨界共溶溫度(UCST)的溫敏行為。在此基礎(chǔ)上,類比于頭足類動物化學(xué)門控過程中乙酰膽堿的角色,研究人員將環(huán)糊精(α-CD)加入到凝膠周圍環(huán)境中。此時,基于α-CD與偶氮苯基團(tuán)的主客體相互作用,疏水的偶氮苯基團(tuán)會被α-CD包裹屏蔽,丙烯酰胺鏈段逐步恢復(fù)運(yùn)動能力而彼此遠(yuǎn)離,導(dǎo)致聚合物鏈間再難以形成鏈?zhǔn)綒滏I,因而逐漸失去UCST型溫敏特性。
在此基礎(chǔ)上,研究人員使用界面擴(kuò)散聚合策略,在P(AAm-co-ABAM)水凝膠表面生長PAAm被動層凝膠,構(gòu)筑了具有化學(xué)門控特性的雙層水凝膠驅(qū)動器。研究進(jìn)一步使用同種方法將該驅(qū)動器與熒光水凝膠結(jié)合,并在顯示面板的協(xié)助下共同構(gòu)筑了基于化學(xué)門控的“熱觸發(fā)-驅(qū)動變形-熒光輸出”的信息顯示系統(tǒng)。在此系統(tǒng)下,環(huán)境溫度的上升觸發(fā)了P(AAm-co-ABAM)層水凝膠的UCST型體積溶脹,進(jìn)而帶動底層熒光水凝膠發(fā)生位移,最終在顯示面板上動態(tài)、精準(zhǔn)地輸出熒光信息。通過合理配置熒光水凝膠的長度,這種同步的溫敏驅(qū)動行為將始終無法完整顯示二維碼圖案,因而實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)信息的隱藏加密。當(dāng)需要解密時,可使用α-CD定點(diǎn)屏蔽其中一條水凝膠驅(qū)動器的溫敏特性,使其在外界刺激下始終顯示靜態(tài)的熒光信息。在此情況下,只需通過加熱使剩余水凝膠驅(qū)動器發(fā)生驅(qū)動變形,即可顯示完整的二維碼圖案。這種生物啟發(fā)的化學(xué)門控策略實(shí)現(xiàn)了“單輸入-多輸出”、動態(tài)/靜態(tài)雙模式和時空調(diào)控的顯示能力,為人工顯示系統(tǒng)提供了功能集成的可能性,為提升信息安全開辟了新途徑。
相關(guān)成果以Cephalopod-Inspired Chemical-Gated Hydrogel Actuation Systems for Information 3D Encoding Display為題,發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金等的支持。
基于頭足類動物皮膚變色機(jī)制與化學(xué)門控的人工顯示系統(tǒng)設(shè)計
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