【CEJ】广东工业大学陈旭东|仅需$50\sim200\text{ nm}$的关键振幅控制动态结构色，可实现简便的多级应变分辨光学加密#

Fig. 1. Fabrication and optical characterization of surface wrinkles on the CAL@LF bilayer system. (a) Schematic illustration of the CAL layer and the UV-induced photodimerization. (b) Schematic illustration of the wrinkles formation on CAL@LF. (Scale bar: 100 μm) (c) ARS results under different pre-strains. (d) AFM profiles under different pre-strains. (e) Wrinkle morphology phase diagram as a function of UV exposure time and pre-strain. Inserts: i) random post-buckling and ii) sinusoidal morphologies.#

如图1所示，研究人员通过精确调控预应变和紫外曝光时间，系统绘制了褶皱形貌相图。实验发现，只有在特定的Zone II区间内，体系才能形成排列整齐、均一的正弦波褶皱形貌；而在 Zone I 区间，过短的曝光或过大的预应变则会导致无序的正弦后屈曲结构。这一规律的探明，为后续研究均一衍射表面打下了坚实的微观结构基础。

为了进一步揭示形貌参数对光学性能的调控机制，研究团队借助标量衍射理论并结合有限元模拟，深入剖析了正弦褶皱振幅与一阶衍射效率之间的深层联系。

Fig. 2. Amplitude-dependent diffraction behavior of sinusoidal wrinkles. (a) AFM images and ARS results of CAL@LF after UV irradiation under 30% pre-strain. (b) Oscillatory-like variation of  with increasing . (c) Reflectance distribution with increasing wrinkle amplitude and . (d) FES results of diffraction efficiency as a function of wrinkle amplitude. (e) Reflection modulation induced by amplitude variation. (f) Wrinkles wavelength and amplitude reported in previous studies#

如图2所示，随着曝光时间从几秒延长至数百秒，表面褶皱的振幅从122 nm逐步增加至609 nm，而其一阶衍射光的反射率却呈现出显著衰减趋势。理论计算表明，当褶皱振幅较小时，衍射能量高度集中在低阶（如一阶）衍射通道，从而呈现出高亮度的特征结构色。然而，当振幅过度增加时，相位调制深度急剧增大，衍射能量被重新分配并均匀耗散到极高阶的衍射通道中，导致反射光在空间中过度分散。此时，由于聚合物基材本身的低反射率，表面在宏观上失去了耀眼的色彩，转而呈现出无色且模糊的毛玻璃视觉状态。模拟与实验数据高度契合，最终确定了高亮度结构色所对应的最佳形貌特征，即褶皱振幅必须精准控制在$50\sim200\text{ nm}$的黄金窗口内。一旦振幅低于50 nm，表面将逐渐退化为镜面反射状态；而高于200 nm，则会彻底衰减为毛玻璃状态。

基于这一形貌与光强定量关系，团队进一步开发了极具实用价值的力学响应调节策略。

Fig. 3. In-situ evolution of wrinkle amplitude and optical appearance under increasing applied strain. (a) AFM images under various applied strains. (b) ARS of the wrinkles under different applied strains, with incident angle at 45°. (c) Average reflection intensity at each applied strain, calculated from reflectance spectra in the 400–800 nm range at 100 nm intervals. The insets show digital photographs of the corresponding wrinkled samples. (d) Amplitude (A) and wavelength (λ) obtained from AFM measurements under different applied strains. (e) Applied strain-dependent optical behavior of wrinkled surfaces fabricated at varying UV time. (Scale bar: 1 cm).#

如图3所示，研究人员将初始振幅为575 nm（呈现无色毛玻璃态）的褶皱样品进行原位拉伸。随着外加应变从0%逐渐增加到50%，褶皱振幅随之不断被拉平。在这个过程中，微观振幅在经历快速衰减后，精准跨入了$50\sim200\text{ nm}$的最佳结构色区间，使样品在外界应变达到20%时，一阶衍射光强瞬间飙升至初始状态的三倍以上，呈现出肉眼清晰可见的璀璨色彩。随着应变继续增大，振幅进一步收缩至50 nm以下，表面结构色再度隐退，转为 specular 镜面反射。这种“无色-亮色-无色”的连续动态光学转变，提供了一种极高精度的力学解密钥匙。

此外，为了实现更加多元和渐进式的动态加密，团队提出了二次曝光的形貌锁定策略。

Fig. 4. Wrinkle morphology modulation through secondary exposure for structural color regulation. (a) Schematic illustration of the secondary exposure process. (b) Decrease of wrinkle amplitude with increasing applied strain under increasing secondary exposure time. The crosslinking degree of the CAL film after 10 s, 40 s, and 300 s secondary UV exposure was calculated to be 10.8%, 13.2%, and 15.1%, respectively. (c) Variation of the 1st order diffraction average intensity with applied strain at different secondary exposure times. (d) Evolution of the surface structural color of wrinkles after secondary exposure. (Scale bar: 1 cm).#

如图4所示，在褶皱释放并成形后，由于表层中仍存留大量未反应的活性蒽基底，施加二次紫外曝光会在微观褶皱网络中引入二次交联链，从而在拉伸时起到机械约束作用，延缓褶皱振幅的衰减速率。实验结果表明，随着二次曝光时间由10秒延长至300秒，振幅衰减曲线显著放缓，使得结构色达到最大亮度所需的解密应变点由20%成功推移至40%以上。这一调控维度赋予了材料根据需要定制解密阈值的能力。

最终，借助光掩模辅助的图案化紫外曝光工艺，研究团队成功将这一机制应用于高性能的多级光学加密演示。

Fig. 5. Strain-resolved multilevel optical encryption. (a) i) Schematic illustration of bright structural color fabrication. ii) Angle-dependent structural colors. (b) Strain-dependent switching between colorless and structural color states. (c) Information hiding and decryption under applied strain. (d) Mechanical readout of encrypted QR codes under applied strain. (e) Strain-resolved information reduction and enrichment encryption via regional exposure.#

如图5所示，团队不仅能够直接利用掩模版在常态下印制高精度的多色动态图案，还能将特定信息深埋在复杂的褶皱背景中。在初始未拉伸状态下，整个表面呈一致的无色毛玻璃外观，图案完美隐形。当施加拉伸时，未经过二次曝光的背景区域振幅衰减较快率先变亮，而经过二次曝光的图案区域形貌被锁定依然保持无色，从而通过亮度差产生高对比度的视觉图像或功能性二维码。更令人瞩目精神的是，通过对材料不同区域进行梯度化的光照处理，团队实现了“信息递减”与“信息递增”的多级加密。随着外界应变的逐渐加大，表面可依次、异步地呈现出数字“9”与“3”，或者从“7”渐变过渡为“3”，展现了极高阶的防伪安全性能和多重信息承载力。