近日，長春理工大學張健夫教授、蘇忠民教授團隊受苜蓿草啟發開發了一種具有多重刺激響應的聚氨酯驅動器，基于動態智能的顏色與形態切換策略實現了從3D到4D的信息加密應用。相關研究成果發表于期刊到Adv. Funct. Mater.上。
自然通信方法啟發了復雜人工智能材料的設計，這些材料能對復雜刺激做出連貫且豐富的響應，對動態加密系統和高密度信息存儲等應用至關重要。但現有材料受限于單一刺激響應，缺乏動態、連續、可編程變化能力。為此，開發了一種生物啟發型多色熒光聚氨酯驅動器，結合動態顏色和形狀適應性于一體。它模仿酢漿草的膨壓驅動運動，通過親水/疏水差異化網絡結構實現水擴散、氫鍵和動態鍵交換。該驅動器能響應溫度、pH和激發波長等多種刺激，展現可逆多態變形和可編程熒光，覆蓋紅、綠、藍甚至白光。其變形行為經有限元模擬，確保精確控制和可預測性。此外，依據驅動器的可調三色熒光設計了3D和4D信息編碼系統，提升了信息存儲容量和加密安全性。利用微加工技術制造微型光學加密芯片，為水下通信加密技術和自適應材料鋪平了道路。
圖1. 本工作的設計思路和部分表征結果
圖2. 聚氨酯驅動器的溶脹運動過程與有限元模擬
圖2展示了聚氨酯驅動器的膨脹運動和特性。通過應力-應變曲線和自愈測試，揭示了不同聚氨酯材料的力學性能和自愈能力，其中WPU-A在高溫下表現出更高的自愈效率。水擴散系數的測試表明WPU-A的擴散能力更強。驅動器在水觸發下快速彎曲并保持高循環穩定性。有限元模型進一步模擬了膨脹過程，驗證了其對環境刺激的響應性，為智能材料的設計和應用提供了重要參考。
圖3. 時間依賴的4D加密模型
總之，開發了一種基于智能、多色和可逆多態聚氨酯的生物啟發式驅動器，成功模擬了自然系統對外部刺激的協調多響應適應性。通過構建親水/疏水網絡結構并利用界面處的動態鍵合，利用水擴散和氫鍵相互作用來實現適應性和可逆變形，類似于酢漿草中觀察到的膨脹和壓縮運動等生物機制。驅動器結合了形狀變形和多色熒光轉換，包括依賴波長的發射，能夠響應各種刺激，如堿性條件和溫度。基于三色熒光的轉換可編碼3D和4D信息加密模型，為時間依賴的多模式信息編碼系統提供了極大的靈活性。驅動器的多維刺激響應能力為高級加密技術和自適應材料開辟了新的途徑，能夠實現高容量和靈活的數據編碼，從而在信息加密領域（例如水下通信）具有廣闊的應用前景。最后，由于水性聚氨酯的熱塑性，該驅動器在需要響應性、多功能材料的領域具有大規模工業應用的潛力，并且可以進行微加工以滿足更苛刻的使用場景。
工作以“4D encryption system: Hydrophilic–hydrophobic polyurethane actuators with smart color switching for high‐capacity data storage”為題，長春理工大學化學與環境工程學院在讀博士生劉金芳為第一作者，張健夫教授、蘇忠民教授為通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金（22275023）、吉林省“長白英才”計劃的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202501801
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