結(jié)構(gòu)色因其具有不褪色、高對(duì)比度、彩虹效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于防偽、顯示、裝飾等領(lǐng)域。其靈感來(lái)源于昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類體表亞顯微結(jié)構(gòu)如嵴、紋、溝縫或鱗片等使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉從而產(chǎn)生的各種顏色。因此，在不破壞其微觀結(jié)構(gòu)的前提下，結(jié)構(gòu)色材料如光子晶體等常常難以實(shí)現(xiàn)其顏色或圖案的主動(dòng)關(guān)停及重復(fù)開(kāi)啟，且難以完全隱藏圖案，從而無(wú)法應(yīng)用于信息和圖案的加密。

近期，加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合刺激響應(yīng)型水凝膠(stimuli-responsive hydrogel)和二維衍射光柵(diffraction grating) 制備出具有可重復(fù)啟停結(jié)構(gòu)色的復(fù)合材料。該材料可實(shí)現(xiàn)100% 到 0% 結(jié)構(gòu)色可見(jiàn)度的快速轉(zhuǎn)變（< 1s），從而實(shí)現(xiàn)了高對(duì)比度可視性以及完全加密性的結(jié)合。在該研究中，“水解密”結(jié)構(gòu)色材料(Hydrocipher)在濕態(tài)下顯示高對(duì)比度圖案，在干態(tài)下無(wú)對(duì)比度且完全透明，從而完美隱匿所加密圖文。這一技術(shù)的加密-解密可簡(jiǎn)便快速的切換，只需水或在材料表面呼吸即可完成。在傳感、防偽、文件加密等方面有著廣泛應(yīng)用前景。

圖1 “水解密”結(jié)構(gòu)色材料制備與加密解密演示

如圖1所示，“水解密”結(jié)構(gòu)色材料Hydrocipher由水凝膠包覆在彈性微柱陣列形成的二維光柵而構(gòu)成。形成二維光柵的材料（環(huán)氧樹(shù)脂）不可膨脹，具有穩(wěn)定的折射率；而其表面的水凝膠層（聚丙烯酰胺）在干態(tài)下折射率接近環(huán)氧樹(shù)脂，但在濕態(tài)下遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹(shù)脂。這種折射率的匹配與差異使得該材料在干態(tài)下渾然一體，不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色；而在濕態(tài)下，則可與入射光發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。與此同時(shí)，水凝膠層在干燥與溶脹時(shí)帶來(lái)的體積變化會(huì)驅(qū)動(dòng)微柱產(chǎn)生可逆的彎曲與直立，相應(yīng)導(dǎo)致二維光柵周期性結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)，從而形成結(jié)構(gòu)色可逆的消失和產(chǎn)生。

圖2 “水解密”結(jié)構(gòu)色材料遇水解密過(guò)程

通過(guò)測(cè)量反射光強(qiáng)度以及使用共聚焦顯微鏡觀察二維光柵結(jié)構(gòu)變化，可發(fā)現(xiàn)該材料解密速度與水凝膠層厚度有關(guān)，通過(guò)調(diào)控水凝膠層厚度可實(shí)現(xiàn)1秒內(nèi)解密。根據(jù)這一趨勢(shì)，該研究進(jìn)一步縮小二維光柵尺度與水凝膠層厚度，實(shí)現(xiàn)了濕度響應(yīng)的“水解密”結(jié)構(gòu)色材料，使得快速解密與完美加密僅在呼吸之間。

這一工作提出了一個(gè)普適的設(shè)計(jì)原理: 水凝膠包覆在可形變的微柱陣列光柵上。外界環(huán)境的變化可同時(shí)控制兩個(gè)因素的變化，從而協(xié)同產(chǎn)生圖案加密-解密的主動(dòng)切換：凝膠的縮脹可以1）驅(qū)動(dòng)微柱（直立的規(guī)整陣列呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)色，而彎曲的不規(guī)則陣列使結(jié)構(gòu)色消失），同時(shí) 2）改變凝膠本身的折射率（水凝膠膨脹時(shí)其折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包埋于其中的微柱的折射率，而水凝膠膨脹時(shí)其折射率接近微柱的折射率）。