界面稳定微流控核壳液滴集成电控光闸，实现多级信息加密-北京永康乐业科技发展有限公司

随着全球假冒伪劣商品的日益泛滥，传统的全息图、静态水印等防伪技术因其光学特征单一、维度有限，在面对高精度复制和智能化分析时正变得愈发脆弱。为了提升信息载体的安全等级，开发具备多物理场响应能力、且能实现动态顺序信息重建的新型加密技术已成为行业发展的迫切需求。液晶（LC）材料凭借其独特的电、光、热多重调谐性以及出色的设计灵活性，为构建新一代“动态化、多维化、高安全性”的防伪平台提供了理想的物质基础。

近日，中南大学翁灿教授团队报道了一种基于垂直整合双层架构的柔性电-光-热多响应液晶加密器件。该器件通过将作为主动电控光闸的聚合物分散液晶（PDLC）层与由微流控技术制备的核壳结构胆甾相液晶（CLC）微滴阵列相结合，实现了严密的“电-光-热”串联顺序解密逻辑，显著提升了信息的安全性与防伪维度。相关研究以“Interfacially stabilized microfluidic core-shell cholesteric liquid-crystal droplets integrated with an electro-optical gate for sequential multilevel information encryption”为题目，发表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。

本文要点：

1. 垂直整合的双层架构设计

该设备由两个功能层组成，通过UV固化胶粘合而成：

上层（电控光闸层）：由掺杂了氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）的聚合物分散液晶（PDLC）膜构成，起到电控开关的作用。
下层（信息显示层）：由微流控技术生成的掺杂螺吡喃（SP）的核壳结构胆甾相液晶（CLC）液滴阵列组成，作为信息存储的像素点。

2. “主动访问控制”与顺序解密逻辑

与传统的被动式读取不同，该系统建立了一套严密的电—光—热顺序解密路径，任何单一刺激都无法获取完整信息：

电学开启（第一级）：施加电压使上层PDLC层从散射状态变为透明状态，作为访问授权，揭示第一层绿色信息（如“CSU”）。
光学变色（第二级）：在UV照射下，液滴内的SP分子发生光异构化，发出红色荧光，揭示第二层信息（如“596”）。
热学转换（第三级）：通过加热（28–32 ℃），利用CLC的热致色变特性使颜色由绿转蓝，揭示第三层加密信息（如“930”）。

3. 核壳液滴的界面稳定化技术

研究强调了界面聚合对提高系统稳定性的作用：

稳定性：微流控技术确保了液滴的单分散性和像素光学均匀性。
保护作用：液滴表面的聚氨酯（PU）外壳增强了抗泄漏能力和形态完整性，并能部分隔离氧气和水分，使SP掺杂液滴在60次循环后仍能保持86.1%的光学信号。

4. 关键性能表现

宽视角读取：由于CLC液滴的球形几何结构和多向螺旋取向，该设备在30°至90°的视角范围内均能保持可识别的信息读取，优于平铺液晶膜。
响应灵敏度：通过调节手性掺杂剂S811的浓度，CLC液滴在仅4 ℃的温差内即可实现全可见光谱（236 nm）的反射波长偏移。

5. 寿命限制因素分析

通过重复解码循环测试，研究确定热致色变通道是系统的寿命瓶颈：

失效原因包括：重复加热导致聚乙烯醇（PVA）基体脱水、液滴聚集、界面分层以及CLC螺旋结构的破坏。
相比之下，电控光闸层和光响应通道在80次循环后仍表现出较好的稳定性。

该研究为设计高安全性、柔性及多级访问控制的胶体液晶光子系统提供了一种新思路。

图 1. (a) 双层器件架构的爆炸图。(b) 器件在电、光、热刺激下的顺序解密机制。

图 2. (a) 掺杂不同浓度 S811 的 CLC 溶液；(b) CLC 器件 S1–S5 随温度变化的图像；(c) CLC 相变温度与 S811 浓度之间的关系；(d) 不同温度下的 CIE 色度图；(e) S1–S5 在不同温度下的偏光显微镜（POM）图像；(f) S1 反射波长与温度的关系；(g) S4 反射波长与温度的关系。

图 3. (a) 微流控液滴生成形成核壳结构胆甾相液晶（CLC）液滴的示意图；(b) 掺杂螺吡喃（SP）的 CLC 液滴的光致变色特性；(c) 温度响应条件下 CLC 液滴的反射光谱；(d) 紫外光下 CLC 液滴的反射光谱；(e) 经过 1、10、30 和 60 次照射后 CLC 液滴的光学稳定性；(f) 不同紫外照射次数后 CLC 液滴的反射曲线。

微流控法制备核壳结构胆甾相液晶（CLC）液滴的具体过程如下：

1. 溶液配制

分散相（内相）：以向液晶 E7 中掺杂手性剂 S811（用于热响应）和螺吡喃 SP（用于光响应）作为基础，并加入异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）作为成壳单体，以及二月桂酸二丁基锡（DBTDL）作为催化剂。
连续相（外相）：使用特定浓度的聚乙烯醇（PVA）水溶液，PVA 在此过程中充当界面稳定剂，可减少液滴聚并并抑制不受控的聚集。

2. 微流控液滴生成

芯片架构：采用具有流动聚焦结构（Focused-flow geometry）的 PMMA 微流控芯片。
液滴生成：分散相（CLC 混合物）在连续相（PVA 水溶液）的剪切力作用下，在芯片通道的交汇处被破碎成离散的微液滴。
尺寸控制：液滴的单分散性取决于流速比。在优化条件下（分散相流速 0.1 μL/min，连续相流速 10 μL/min），可制备出平均直径约为 93.17 μm 且变异系数（CV）低至 1.12% 的均匀液滴。

3. 原位聚合成壳

反应机制：液滴生成后，通过分段加热（55 ℃）并伴随搅拌（300 rpm/min），诱发液滴界面的原位聚合（In-situ polymerization）。
外壳形成：IPDI 在液滴界面发生化学反应，形成一层聚氨酯（PU）外壳。
功能作用：该聚氨酯外壳能够有效防止内部液晶组件的泄漏，增强液滴的机械强度，并保护内部的螺吡喃分子免受氧气和水分的攻击，从而提升光致变色性能的循环稳定性。