文章來(lái)源： 寧波材料技術(shù)與工程研究所

自然界中，頭足類(lèi)動(dòng)物通過(guò)肌肉牽引色素細(xì)胞使其發(fā)生機(jī)械性擴(kuò)張/收縮變化的方式，動(dòng)態(tài)改變皮膚局部或整體的顏色，從而傳遞警示、求偶信息或偽裝保護(hù)自身。受此啟發(fā)，近十年間，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了眾多信息顯示及變色偽裝系統(tǒng)，如利用熒光分子直接在基底材料上書(shū)寫(xiě)靜態(tài)信息或者通過(guò)刺激響應(yīng)的可逆共價(jià)作用或非共價(jià)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑動(dòng)態(tài)信息。然而，單一的顯示模式加劇了信息被破譯的風(fēng)險(xiǎn)，而這些策略難以在制備后實(shí)現(xiàn)靜態(tài)信息與動(dòng)態(tài)信息模式間的轉(zhuǎn)換，更無(wú)法根據(jù)環(huán)境的變化按需切換兩種顯示模式。因此，與頭足類(lèi)動(dòng)物的變色能力相比，現(xiàn)有的信息顯示系統(tǒng)在變色機(jī)制與顯示結(jié)果上依然存在較大的差距與不足。

近年來(lái)，通過(guò)對(duì)頭足類(lèi)動(dòng)物皮膚的解剖分析，研究人員逐漸了解其核心的變色機(jī)制。頭足類(lèi)動(dòng)物會(huì)將感受到的外界刺激轉(zhuǎn)換為生物電信號(hào)，并通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞到包裹色素細(xì)胞的徑向肌肉細(xì)胞膜上。這些生物電信號(hào)會(huì)觸發(fā)徑向肌肉的舒張/收縮，從而帶動(dòng)色素細(xì)胞發(fā)生體積變化，實(shí)現(xiàn)皮膚顏色的動(dòng)態(tài)變化。除此之外，依據(jù)對(duì)環(huán)境需求的分析，頭足類(lèi)動(dòng)物還會(huì)在體內(nèi)定點(diǎn)釋放神經(jīng)抑制劑（乙酰膽堿）來(lái)重置膜電位，精準(zhǔn)地使某些包裹色素細(xì)胞的徑向肌肉細(xì)胞失活，進(jìn)而阻礙局部色素細(xì)胞的收縮，以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚顏色的定制化控制。一段時(shí)間后，這些分泌的乙酰膽堿會(huì)被代謝吸收，使肌肉細(xì)胞重新恢復(fù)變形能力。正是依靠色素細(xì)胞周?chē)∪饨M織的獨(dú)特化學(xué)門(mén)控驅(qū)動(dòng)策略，頭足類(lèi)動(dòng)物得以在不改變自身色素細(xì)胞排列與組成的情況下，基于“電觸發(fā)-肌肉驅(qū)動(dòng)-色素細(xì)胞變形”的方式實(shí)現(xiàn)皮膚的多色化與圖案化以適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。因此，在人工信息系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)類(lèi)似的門(mén)控單元以實(shí)現(xiàn)“單輸入-多輸出”及動(dòng)態(tài)/靜態(tài)協(xié)同的模式，對(duì)于現(xiàn)有信息顯示及加密過(guò)程具有科學(xué)意義。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤、路偉團(tuán)隊(duì)致力于熒光高分子水凝膠的仿生構(gòu)筑及其功能與智能調(diào)控研究。近日，該團(tuán)隊(duì)與寧波大學(xué)教授趙傳壯團(tuán)隊(duì)合作，模仿頭足類(lèi)動(dòng)物化學(xué)門(mén)控的變色偽裝行為，報(bào)道了化學(xué)門(mén)控的水凝膠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)了熒光信息的3D多模態(tài)顯示。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了偶氮丙烯酰胺單體（ABAM），將其與丙烯酰胺（AAm）單體共聚得到P(AAm-co-ABAM)水凝膠。在此凝膠體系中，由于偶氮苯基團(tuán)的疏水作用，聚合物鏈被拉近，促使鏈間丙烯酰胺鏈段的氫鍵供體（-NH2）與氫鍵受體（C=O）彼此之間形成鏈?zhǔn)綒滏I，誘導(dǎo)體系產(chǎn)生具有最高臨界共溶溫度（UCST）的溫敏行為。在此基礎(chǔ)上，類(lèi)比于頭足類(lèi)動(dòng)物化學(xué)門(mén)控過(guò)程中乙酰膽堿的角色，研究人員將環(huán)糊精（α-CD）加入到凝膠周?chē)h(huán)境中。此時(shí)，基于α-CD與偶氮苯基團(tuán)的主客體相互作用，疏水的偶氮苯基團(tuán)會(huì)被α-CD包裹屏蔽，丙烯酰胺鏈段逐步恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力而彼此遠(yuǎn)離，導(dǎo)致聚合物鏈間再難以形成鏈?zhǔn)綒滏I，因而逐漸失去UCST型溫敏特性。

在此基礎(chǔ)上，研究人員使用界面擴(kuò)散聚合策略，在P(AAm-co-ABAM)水凝膠表面生長(zhǎng)PAAm被動(dòng)層凝膠，構(gòu)筑了具有化學(xué)門(mén)控特性的雙層水凝膠驅(qū)動(dòng)器。研究進(jìn)一步使用同種方法將該驅(qū)動(dòng)器與熒光水凝膠結(jié)合，并在顯示面板的協(xié)助下共同構(gòu)筑了基于化學(xué)門(mén)控的“熱觸發(fā)-驅(qū)動(dòng)變形-熒光輸出”的信息顯示系統(tǒng)。在此系統(tǒng)下，環(huán)境溫度的上升觸發(fā)了P(AAm-co-ABAM)層水凝膠的UCST型體積溶脹，進(jìn)而帶動(dòng)底層熒光水凝膠發(fā)生位移，最終在顯示面板上動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)地輸出熒光信息。通過(guò)合理配置熒光水凝膠的長(zhǎng)度，這種同步的溫敏驅(qū)動(dòng)行為將始終無(wú)法完整顯示二維碼圖案，因而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)信息的隱藏加密。當(dāng)需要解密時(shí)，可使用α-CD定點(diǎn)屏蔽其中一條水凝膠驅(qū)動(dòng)器的溫敏特性，使其在外界刺激下始終顯示靜態(tài)的熒光信息。在此情況下，只需通過(guò)加熱使剩余水凝膠驅(qū)動(dòng)器發(fā)生驅(qū)動(dòng)變形，即可顯示完整的二維碼圖案。這種生物啟發(fā)的化學(xué)門(mén)控策略實(shí)現(xiàn)了“單輸入-多輸出”、動(dòng)態(tài)/靜態(tài)雙模式和時(shí)空調(diào)控的顯示能力，為人工顯示系統(tǒng)提供了功能集成的可能性，為提升信息安全開(kāi)辟了新途徑。

相關(guān)成果以Cephalopod-Inspired Chemical-Gated Hydrogel Actuation Systems for Information 3D Encoding Display為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金等的支持。

基于頭足類(lèi)動(dòng)物皮膚變色機(jī)制與化學(xué)門(mén)控的人工顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)