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河北科大余旭东教授课题组 Small:一种电致荧光变色普适性策略 - 稀土凝胶的“记忆-遗忘”行为用于信息安全
2025-03-15  来源:高分子科技

  传统信息存储材料(如形状记忆聚合物、相变材料)依赖外部刺激触发固定响应,缺乏生物系统中动态记忆-遗忘的自适应能力。人脑通过快速编码与缓慢遗忘的动力学差异实现高效信息处理,但如何在人工材料中模拟这一非平衡过程仍极具挑战。近年来,水凝胶因其软物质特性与生物相容性,在柔性电子、传感器和光学加密领域备受关注,但其动态响应与自修复功能的结合仍待突破。


一种协同化学反应驱动的、时空可控的电致荧光变色普适性策略——稀土凝胶的“记忆-遗忘”行为用于信息安全


  受人类大脑动态记忆机制的启发,河北科技大学余旭东教授团队开发了一种基于铕离子(Eu3+)的智能金属凝胶材料,通过电化学刺激与扩散动力学的协同作用,实现了荧光颜色从蓝色到红色的可逆时空调控,并展现出仿生“记忆-遗忘”行为。该材料结合聚丙烯酸(PAA)与吡啶衍生物的酸碱响应特性,通过电解水生成氢气触发β-二酮配体结构转变,进而调控Eu3+的荧光发射。实验表明,材料的荧光强度与消失时间可通过电压、组分比例和网络结构精准调节,为多级信息加密、动态自擦除和可编程防伪提供了创新解决方案。该工作以“A Universal Strategy for Reversible and Spatiotemporal Electrofluorochromism of Eu3+ Metallogels Driven by Cooperative Chemical Reactions with Biomimetic Information “Memorizing-forgetting” Behavior”为题目发表于《Small》上。


材料设计与关键创新  


  河北科技大学余旭东教授团队创新性提出基于电驱动的化学反应-配位模式转化协同驱动的动态凝胶界面构筑策略,设计了具有普适性的荧光可时空调控的Eu3+基水凝胶体系,利用其可逆的电致荧光变色特性成功实现了信息"记忆-遗忘"功能的智能可逆调控。在外加电场作用下,电解水效应导致的局部pH值升高引发了分子内酮-烯醇互变异构和吡啶-羧酸之间的氢键破坏,进而诱导Eu3+的配位环境重构,产生蓝光到红光的变化。撤去外加电场作用后,聚丙烯酸分子梯度驱动的自主质子迁移引发了体系pH值弛豫致使Eu3+配位环境回到原始态,进而导致红色荧光消失(图2b)。这种非平衡态动力学过程使得信息可多次重复写入和擦除,最终建立了"电场刺激-化学响应-结构重构-信号输出-阅后自焚"五位一体的信息记忆-擦除过程。  


基于非平衡过程设计的显示信息遗忘功能的记忆材料


应用前景:动态信息加密与防伪  


  研究团队展示了凝胶在信息加密中的独特优势通过调节吡啶衍生物种类(2),荧光消失时间可在15~960分钟间精确设定(图3空间维度上,利用电极局部刺激,在凝胶表面写入图案(如字母HEBUST),断电后信息分层消退


信息加密系统所使用的三种吡啶、联吡啶、吡啶和苯甲酸衍生物的化学结构


信息加密系统所使用的三种吡啶、联吡啶、吡啶和苯甲酸衍生物的褪色时间


基于FTO导电玻璃来控制信息加密时间的使用不同吡啶化合物的信息加密系统


  该策略展现出优异的体系普适性,可拓展至含聚丙烯酸类聚合物与多吡啶基配体的复合凝胶体系,且其信息“记忆-遗忘”时间可通过聚合物种类、吡啶种类、施加电压及各元素比例等多角度调控。基于此,研究团队构建了多层级信息加密体系架构:从单维荧光编码、二维图案化加密,到三维立体信息存储,直至基于可编程水凝胶薄膜的多重信息耦合加密系统。通过精准调控吡啶配体与聚合物网络交联密度,成功实现了信息保留时间的连续梯度编程和逐级时空精准解密。这种基于化学-物理协同响应的信息动态、自发、精确的解密-擦除机制,不仅实现了信息存储维度和容量的范式突破,更为可编程解密系统与可控自毁型加密材料的设计建立了理论模型。


  原文链接https://doi.org/10.1002/smll.202501058  

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(责任编辑:xu)
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