光学物理不可克隆函数（Optical Physical Unclonable Functions, OPUFs）是一类利用材料内部的物理随机结构来生成独特光学信号的前沿防伪技术，被视作下一代高安全性防伪与光学数据存储的“明日之星”。OPUFs响应机制是利用材料内部固有的物理随机结构，在外部刺激下产生不可复制的独特光学响应，从而形成类似“光学指纹”的身份认证。这类技术通过将光学信号转化为高安全性编码，为下一代数据安全与防伪应用提供了极具前景的解决方案。当前，OPUFs的发展主要聚焦于多通道响应能力提升与标签小型化两个方向。然而，现有体系往往依赖多材料复合以实现多通道响应，不可避免地引发材料相容性差、相分离及稳定性低等问题；同时，标签尺寸的缩小常伴随编码容量显著下降，限制了其实际应用潜力。因此，如何在单一材料体系内协同实现多通道不可克隆性、超高编码容量及无损集成应用，已成为该领域亟待突破的关键技术瓶颈。

  理想的OPUFs标签需在单一材料体系内协同实现物理结构的不可复制随机性与光学信号的高度可控响应，其关键在于建立二者之间稳定且可调的耦合机制。界面自组装技术为此提供了重要的方法学路径：该技术能够跨尺度（从亚纳米至宏观）精确调控组装过程，引导材料的基本构筑单元在界面上自发形成复杂且唯一的微结构，从而为构建不可克隆的“物理指纹”奠定结构基础。在众多候选材料中，聚集诱导发光（AIE）碳点具有实现这种“结构?光学”精准耦合的独特优势。其发光特性紧密依赖于聚集状态，通过调控聚集程度可在同一体系中呈现从绿色到红色的多色荧光输出；与此同时，其表面官能团的可编程修饰能力，使得材料在自组装过程中能够演化出具有高度随机性的精细微观形态，从而自然嵌入不可克隆特征。此外，碳点本身所具有的高稳定性、良好生物相容性及易于制备大面积均匀薄膜的工艺特性，进一步为OPUFs标签的规模化制备与实用化部署提供了坚实基础。

  前期，杭州师范大学材料与化学化工学院黄又举教授团队提出了一种超疏水力诱导的超快速（5秒）界面纳米粒子宏观单层自组装的纳米薄膜工程化技术，并实现了纳米粒子超晶格自组装（Science Advances, 2021, 7, eabk2852; Journal of the American Chemical Society, 2025, 147,10369; Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202502129）。基于此，研究团队进一步以聚集态可调的多色AIE碳点为组装基元，通过界面自组装成功构筑出大面积、结构自适应的智能纳米薄膜。该薄膜的独特之处在于，其在亚纳米、纳米及微米三个尺度上均具有高度随机性，且这些随机结构能够直接耦合到多色发光行为中，从而在单一材料体系中实现了多重不可克隆光学特征的集成。

  2025年12月6日，相关研究工作以“Enabling Single-Challenge Multichannel-Response OPUFs: Adaptive Nanofilms from Aggregation-Controlled Multicolor Carbon Dots”为题发表在Advanced Materials（2025, DOI: 10.1002/adma.202519060）上。该工作第一作者为杭州师范大学材料与化学化工学院吴双双博士，通讯作者为杭州师范大学黄又举教授，南昌大学黄小林教授和香港中文大学（深圳）唐本忠教授，杭州师范大学为第一单位。

图1. OPUFs标签的跨尺度（亚纳米、纳米及微米）结构设计与防伪原理。

  针对现有OPUFs材料难以兼顾结构不可复制性与光学信号可控性的长期瓶颈，研究团队基于多色AIE碳点的跨尺度（亚纳米、纳米及微米）界面组装技术，设计了单挑战、多通道响应的新一代标签，从而构建出全新的多尺度安全防伪架构。核心技术来自对AIE碳点表面官能团的精准调控，使碳点在组装过程中形成可控的聚集状态，并自发演化为具有高度随机性的亚纳米分形结构，成为无法复刻的微观“光学指纹”。在此基础上，进一步引入的随机组装与微米级印刷过程又叠加出独特的微纳结构，实现从分子结构到宏观图案的全链路不可克隆。测试表明，一个仅5微米的标签即可在亮场、绿光和红光三个通道生成独立加密密钥，具备近乎理想的比特均匀性与极低错误率，理论编码容量达到约2.04×10⁹⁰，展现出极高的信息承载与安全潜力。

图2. 通过可控聚集设计荧光可调、多色的AIE碳点。

  这项技术的关键在于纳米结构调控如何直接影响防伪性能。团队首先设计了多色碳点并利用AIE效应调控光学特性。通过精确控制表面氧化程度，碳点可从蓝色发光逐渐调控到绿色或红色发光。这一变化不仅来自碳点内部共轭体系的发光，还与表面功能基团的分布紧密相关。亚纳米级的聚集体结构控制了碳点的发光波长，而聚集形态的差异又形成独特的“光学指纹”，为每一个防伪标签奠定了不可复制的基础。在微观到纳米尺度上，碳点的表面功能基团通过分子间相互作用调控聚集行为。不同氧化程度下的S-S键断裂与保留，使得碳点的分子旋转受限程度不同，从而精确调控了AIE效应和发光颜色。也就是说，亚纳米表面结构直接决定了光学输出，这是实现多色、多通道防伪的基础。

图3. 通过熵驱动组装和热辅助打印碳点纳米薄膜制备随机微纳图案。

  为了将这些纳米结构转化为可用的防伪标签，研究团队采用了熵驱动的界面自组装和热转印技术。AIE碳点聚集体在油水界面随机排列，形成纳米至微米级的无序结构，再通过热辅助打印转印到基底上。实验显示，即便宏观图案相同，每个微米级像素在纳米层面上都独一无二。这种亚纳米-纳米-微米三级随机性使标签的防伪性能大幅提升：宏观图案可读，微观结构不可复制。此外，这种OPUFs标签可以在单一物理挑战下生成三条独立光学通道（亮场、绿光、红光），每条通道都独立生成二进制密钥，用于高安全性认证。统计分析显示，这些标签的随机性和唯一性接近理论理想值，同时多次读取的一致性极高，误识率几乎可以忽略不计。通过调控碳点的聚集状态和表面结构，不同通道的光学输出可以完全区分，每一个微观结构都对应一个唯一的光学响应，实现真正的多通道光学不可克隆特性。

  该工作得到了国家自然科学基金（52222316, U25A20385, 52473209, 22574072），中国博士后科学基金（2024M763695）及杭州师范大学启动基金（4095C50223204052, 4095C5022421510）等项目的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202519060

作者简介

黄又举，教授，博士生导师，国家优青，杭师大材化学院副院长。2010年博士毕业于中国科学技术大学，师从李良彬教授。2010-2014年在新加坡南洋理工大学做博士后。2014-2019年在中科院宁波材料所工作，任副研究员/项目研究员。2017-2018年，在德国马普所高分子所做访问学者。2019年9月入职杭州师范大学，组建纳米生物传感器关键材料团队。以通讯作者在Science Advances，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials,Chemical Society Reviews等期刊上发表SCI论文100余篇。被引用12000余次，H因子为58。授权中国和美国发明专利35件。主持科研项目20余项，包括7项国家自然科学基金。获首届浙江省青年科技英才奖（2021年），浙江省自然科学二等奖（2023年，第一完成人）和全国"挑战杯"揭榜挂帅专项赛一等奖（2024年，指导老师）。入选浙江省海外高层次人才引进计划（2016年）和国家自然基金委优秀青年项目（2022年）。

吴双双，杭州师范大学—中南大学联合培养博士后。2023年于中国科学院宁波材料技术与工程研究所获得博士学位，师从陈涛研究员和路伟研究员。主要从事功能化荧光纳米材料的设计与合成，以及新型荧光防伪平台的构建。相关研究以第一作者或通讯作者身份在Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Science Bulletin, Advanced Science等国际知名期刊发表SCI论文9篇，并参与发表二十余篇科研论文。主持中国博士后科学基金1项，参与多项国家自然科学基金、省部级重大项目及企业关键技术攻关项目。