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【JACS】分子隐写术：利用多状态光开关酰腙实现信息隐藏的革命性技术 ​

摘要 ​

光致变色分子作为智能材料的重要组成部分，其光诱导转换特性使其能够广泛应用于机械驱动、超分子结构组装与解离，以及各种自适应智能材料的发展。研究人员长期以来致力于优化光开关的特性，包括光稳态、量子产率、热弛豫半衰期和吸收波长等，以提高其功能性。此外，通过共价链接多个光开关分子以实现顺序控制，也是一种重要策略。本研究报告了两种新型光致变色酰腙分子，它们通过不对称的异山梨醇连接，展现出高度高效、正交且顺序可控的光开关特性。这些分子的四种异构状态（ZZ、ZE、EZ 和 EE）在调控向列液晶的光物理性质方面发挥了关键作用，最终实现了一种分子隐写术应用，即利用光控制液晶薄膜的不透明度以隐藏信息，并在特定波长下恢复可读状态。

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光开关分子的研究背景 ​

光致变色分子广泛应用于动态材料的开发。它们可以通过光照转换不同的结构形态，从而在材料中产生功能变化，如柔性驱动、智能组装以及多功能响应。近年来，科学家们不断改进光开关的光转换性能，力求提高其光热稳定性和转换效率，同时增强其对不同波长光的响应能力。

本研究采用酰腙类光致变色分子，该类化合物因其长期的热稳定性（部分可达 5300 年）、高量子产率（最高可达 65%）以及可调控的吸收波长而受到关注。研究人员利用光开关酰腙调控液晶的光物理性质，并进一步探索其在信息隐藏和加密技术中的应用。

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酰腙光开关的分子设计 ​

为了实现可控光转换，本研究设计了两种含有 NO₂ 和五氟苯基官能团的酰腙分子，并通过异山梨醇桥接实现其结构上的非对称性。这些酰腙分子的光转换过程通过特定波长的光照诱导，形成四种稳定的异构体（ZZ、ZE、EZ 和 EE）。其中：

  • ZZ → ZE 过程由 442 nm 光诱导，伴随光谱的蓝移；
  • ZE → EZ 过程由 340 nm 光诱导，伴随光谱的红移；
  • EZ → EE 过程由 442 nm 光诱导，最终实现高效的相变；
  • EE → ZZ 过程由 300 nm 光诱导，部分恢复到初始状态。

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这一光转换过程具有高稳定性和可重复性，在不同光照条件下可持续运行多个周期而不会出现光疲劳现象。

液晶相变调控 ​

该研究进一步验证了酰腙光开关在液晶调控中的应用。当将这些光开关分子掺杂进 5CB（向列液晶）并诱导其 EE 状态时，液晶经历了一种前所未有的胆甾相（cholesteric）向焦锥相（focal conic）的转换。这种相变现象极为罕见，并且能够实现液晶薄膜的不透明度调控，为分子隐写术提供了一种新型应用方案。

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分子隐写术的实现 ​

研究团队设计了一种光可编程的隐写系统。首先，在液晶薄膜上放置星形掩模，并用 340 nm 光照射，诱导酰腙光开关进入 EZ 状态，使未遮挡区域的分子发生异构化。然而，此时液晶仍然保持较高的透明度，无法肉眼识别图案。

随后，研究人员移除掩模，并用 442 nm 光照射整个薄膜，使 EZ 异构体进一步转换为 EE 状态，导致焦锥相的形成，从而出现光散射现象。此时，隐藏的星形图案由于 EE 状态的不透明特性得以显现，实现了肉眼可读的信息加密和存储。

这一分子隐写技术结合了可控光转换和液晶调控，提供了一种安全、可重复使用的隐写解决方案，为未来的信息加密和存储提供了新的研究方向。

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展望与未来应用 ​

分子隐写术的这一突破性进展为信息加密、存储和安全领域提供了重要应用前景。其核心优势在于：

  1. 高稳定性——利用光转换实现信息存储，不受环境因素影响；
  2. 高效可读性——通过特定波长的光照恢复隐藏信息；
  3. 低成本——可广泛应用于智能材料和信息安全技术；
  4. 可编程性——不同光照条件可调控液晶薄膜的光学响应。

未来，该技术可用于高安全性信息存储、动态加密材料、智能显示技术，以及隐形涂层等领域，进一步推动光致变色分子在信息科技中的应用。

参考文献 ​

Balamut, B.; Aprahamian, I. Molecular Steganography Using Multistate Photoswitchable Hydrazones. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.5c03668. https://doi.org/10.1021/jacs.5c03668.