【Adv. Mater.】武汉大学刘兴海教授团队:水驱动可切换材料实现湿态电磁屏蔽与干态光学加密
【Adv. Mater.】武汉大学刘兴海教授团队：水驱动可切换材料实现湿态电磁屏蔽与干态光学加密
全文摘要
如何在单一凝胶材料中融合高效的电磁波吸收与稳定的室温磷光，一直是多功能隐身与信息加密领域的难题。传统水凝胶吸波体因水分蒸发面临性能失稳，而室温磷光材料又极易在水环境中淬灭。在此，武汉大学刘兴海教授团队开发了一种水驱动的多功能PAM/CMC/铜掺杂碳点复合水凝胶（PCC）。通过在聚合物网络中引入铜掺杂碳点，精确调控了凝胶内部的氢键网络与水分子的赋存状态，在湿态下增强了偶极子极化和界面极化，实现了高效的微波吸收；干燥后，网络重构为刚性框架，有效抑制了非辐射跃迁，激活了长寿命室温磷光。该材料在湿态下实现了-62.67 dB的最小反射损耗和5.94 GHz的有效吸收带宽，在干态下受紫外光激发可产生持续0.92秒的绿色余辉。这种“湿态吸波，干态发光”的水驱动功能切换，为设计下一代自适应隐身与信息加密材料提供了全新范式。
图文速递
图1：PCC-n水凝胶的水驱动功能转换示意图及基本表征
图1：（a）PCC-n水凝胶水驱动功能转换的示意图。（b）PC/PCC水凝胶的FTIR光谱。（c）TGA曲线。（d）XRD图谱。（e）拉伸应力-应变曲线。（f）频率扫描和（g）振幅扫描的流变学结果。
图2：PCC-n水凝胶的电磁波吸收性能与介电机理
图2：（a）PCC-n水凝胶在2-18 GHz频率范围内的复介电常数（ε'：实部，ε''：虚部）。反射损耗（RL）随频率和厚度变化的三维图：（b）PCC-0，（c）PCC-1，（d）PCC-2，（e）PCC-3，（f）PCC-4。（g）对应的最大有效吸收带宽（EABmax）和最小反射损耗（RLmin）值。（h）PCC-n水凝胶的Nyquist图。（i）DFT计算的不同Cu掺杂结构能量趋势图。（j）代表性Cuₓ-CDs结构的前线分子轨道图。
图3：PCC-n水凝胶的雷达散射截面模拟与电磁屏蔽应用验证
图3：（a）基于特斯拉线圈的简易电磁场验证系统示意图。远场RCS模拟3D图：（b）PCC-0，（c）PCC-1，（d）PCC-2，（e）PCC-3，（f）PCC-4。（g）不同探测角度下样品的RCS值。模拟结果显示，PCC-4涂层在0°入射角下的RCS值降低了33.61 dB·m²，展现出最强的雷达波衰减能力。
图4：PCC-4水凝胶的室温磷光性能及光学加密应用展示
图4：（a）PCC-4的磷光激发-发射映射图。（b）在254 nm和315 nm紫外激发下PCC-4的磷光发射光谱，以及（c）对应的磷光寿命衰减曲线（315 nm激发下寿命为0.92秒，254 nm激发下寿命为0.23秒）。在（d）315 nm和（e）254 nm紫外光激发后，随时间变化的发光照片。（f）PCC-4应用于高级光学信息加密的原理示意图，展示了其在紫外灯关闭后，通过持续磷光显示隐藏图案的能力。
研究结论
综上所述，本研究成功开发了一种集成湿态高效微波吸收与干态室温磷光的多功能PAM/CMC/Cu-CDs水凝胶。通过铜掺杂碳点对水凝胶氢键网络和水分分布的精确调控，协同优化了湿态下的偶极子极化和界面极化，实现了 -62.67 dB 的超强反射损耗和 5.94 GHz 的宽频有效吸收。干燥脱水后，聚合物网络致密化有效稳定了三重态激子，激活了源自CMC和Cuₓ-CDs的蓝色和绿色室温磷光。这种水驱动的“吸收-发光”可逆切换策略，成功解决了多功能水凝胶设计中水对电磁衰减和光物理过程作用相悖的难题，为开发适用于复杂环境的新一代自适应智能材料提供了重要指导。
原文链接
A Water-Driven Switchable Material for Optical and Electronic Information Security: Electromagnetic Shielding and Optical Encryption
Junjie Deng, Jiahui Liu, Bowen Zhang, Shuaibo Zhang, Donglei Fu, Xinghai Liu
Advanced Materials, 2026.
https://doi.org/10.1002/adma.202521481
文献翻译
1. 题目
一种用于光学与电子信息安全的水驱动可切换材料：电磁屏蔽与光学加密
A Water-Driven Switchable Material for Optical and Electronic Information Security: Electromagnetic Shielding and Optical Encryption
2. 摘要
传统水凝胶吸波体面临因水分蒸发导致的性能衰退和功能单一的问题。在此，一种多功能PAM/CMC/CDs复合水凝胶被开发出来，它结合了湿态下的电磁波吸收与干态下的发光特性。通过引入铜掺杂碳点来精准调控氢键网络和水分子状态，材料的介电极化强度和电磁波吸收性能得到显著提升，在湿态下实现了 -62.67 dB 的最小反射损耗和 5.94 GHz 的最大有效吸收带宽。而在干燥状态下，网络重构成刚性框架，有效抑制非辐射跃迁，产生稳定的室温磷光。该材料实现了从湿态吸收到干态发光的可控转变，在隐身防护、信息加密和多模态光学器件等领域展现出巨大应用潜力。
3. 引言
电磁波吸收材料在电子安全和军事隐身等领域至关重要，而水凝胶因其高含水量和可调介电性成为潜在地吸收体。然而，传统水凝胶吸波体面临水分蒸发导致性能下降和功能单一的挑战。同时，室温磷光材料在信息加密领域发展迅速，但其在水性软材料中难以实现长寿命发光，因为水分子的动态运动和氧气猝灭会严重抑制三重态激子稳定。有趣的是，水在电磁耗散和光物理过程中扮演着根本相反的角色——它是实现高介电损耗的关键，但也是抑制磷光的元凶。这表明，与其在单一静态状态下追求多功能共存，不如利用环境触发状态转换的策略，在不同条件下依次激活不同的功能。
本工作开发了一种多功能PAM/CMC/CDs复合水凝胶，通过引入铜掺杂碳点，精准调控了分子尺度的氢键网络，调节了自由水与结合水的比例，并增强了碳点的电荷传输能力。在湿态下，该水凝胶依靠偶极子取向和界面极化实现高效吸波；干燥后，网络重构为刚性框架稳定了三重态激子，实现了室温磷光发射。这项研究为设计具有结构稳定性和多功能响应能力的水凝胶复合材料提供了新策略。
4. 总结
总而言之，本研究开发了一种集成湿态高效微波吸收和干态室温磷光的多功能PAM/CMC/Cu-CDs水凝胶。通过铜掺杂精准调控了聚合物基体内的氢键网络和水分分布，优化了偶极子极化和电荷传输。在湿态下，水凝胶实现了 -62.67 dB 的最小反射损耗和 5.94 GHz 的有效吸收带宽。脱水后，网络重构成刚性框架，抑制了非辐射弛豫，产生了源自Cuₓ-CDs和CMC基质的稳定蓝色和绿色磷光发射。这种从电磁吸收到发光的可控转变为在单一软材料中耦合电子与光子功能提供了新范式。
文献深度分析
1. 该文献主要是做了什么，有什么发现和亮点？
·核心工作：
o提出新策略：首次提出利用水分子作为“开关”，驱动单一水凝胶材料在湿态电磁波吸收和干态室温磷光两种截然不同的功能间实现可逆切换。
o开发新材料：设计并制备了聚丙烯酰胺/羧甲基纤维素/铜掺杂碳点复合水凝胶，通过对碳点中铜掺杂量的调节，实现了对复合材料性能的系统优化。
·主要发现与亮点：
o水驱动的功能对立统一：巧妙地利用水在电磁衰减（增强）和光物理过程（猝灭）中的矛盾作用，将其转变为可控的功能切换机制，打破了水凝胶材料功能单一的限制。
o多尺度性能协同优化：湿态下，铜掺杂碳点不仅通过削弱氢键网络来增加“自由水”比例以提升偶极子极化，还同时通过增强电荷传输和构建异质界面来促进导电损耗与界面极化，实现了电磁波吸收性能的显著增强。
o优异的双模态性能：
§湿态吸波：PCC-4样品实现了 -62.67 dB 的最小反射损耗；PCC-2样品实现了 5.94 GHz 的有效吸收带宽。
§干态发光：干态PCC-4在315 nm激发下，产生寿命长达0.92秒的绿色磷光；在254 nm激发下产生蓝色磷光。
o多用途应用演示：不仅通过特斯拉线圈和雷达散射截面模拟验证了其优异的电磁屏蔽/隐身潜力，还通过点阵图案编码展示了其在高级光学信息加密中的应用前景。
2. 详细的实验制备过程
1.制备铜掺杂碳点：
o将不同质量比（1:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:1）的Na₂[Cu(EDTA)]和Na₂(EDTA)固体粉末混合并研磨均匀。
o将混合物在管式炉中、氮气氛围下、300°C煅烧2小时。
o冷却后研磨成粉，分散于乙醇中超声30分钟，离心取上清液，并用0.22 μm滤膜过滤。
o滤液旋蒸浓缩后，在水中用1000 Da透析袋透析48小时，最后冷冻干燥得到不同铜含量的Cuₓ-CDs粉末。
2.制备PCC复合水凝胶：
o配制前驱体溶液：将33 wt%的单体丙烯酰胺溶解在含5%甘油的水溶液中。
o依次加入交联剂MBA和光引发剂HCPK，再加入0.5 wt%的CMC（优化后的比例），在60°C下搅拌2小时至完全溶解。
o加入20 wt%的Cuₓ-CDs并混合均匀。
o将前驱体溶液暴露于紫外光下进行光聚合，得到PCC复合水凝胶。
3. 得到的创新结果和对其的证明手段
·创新结果1：铜掺杂碳点成功嵌入并调控水凝胶网络 -> 证明手段：FTIR 证实氢键相互作用；TGA 表明结合水和自由水含量变化；拉曼光谱分析氢键网络强弱变化；XRD 证明碳点均匀分散。
·创新结果2：湿态下介电与吸波性能随铜含量增加而系统增强 -> 证明手段：矢量网络分析仪测试复介电常数和计算反射损耗，得到 -62.67 dB 和 5.94 GHz 等关键性能数据；EIS 和Cole-Cole图分析揭示增强的电荷转移、界面极化与导电损耗机制；衰减常数评估综合损耗能力。
·创新结果3：干态下激活室温磷光 -> 证明手段：荧光/磷光光谱仪测试磷光激发-发射图谱和长达 0.92秒 的寿命衰减曲线；紫外灯关闭后的延时摄影直观记录余辉现象。
·创新结果4：水驱动功能可逆切换 -> 证明手段：通过连续7天的质量变化监测和多次干湿循环实验，证明材料在吸收和发光两种状态间能稳定、可逆地切换。
·创新结果5：DFT计算揭示铜掺杂增强介电响应的本征机制 -> 证明手段：DFT计算表明Cu-N配位结构热力学稳定，且铜掺杂可降低碳点带隙、增强电子离域性，并通过功函数差异解释了界面电荷重分布和极化增强的驱动力。
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