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《Adv Mater》：一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)！用于濕度調(diào)節(jié)的信息加密和顯示

2023.04.14 江西

氣態(tài)的水，即濕氣，普遍存在于空氣中。這種無處不在的獨(dú)特性質(zhì)使其成為一種理想且易于獲得的環(huán)境刺激，可引發(fā)對(duì)水分敏感的材料和設(shè)備的物理或化學(xué)反應(yīng)。這種特殊的響應(yīng)能力已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境傳感、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、軟機(jī)器人、結(jié)構(gòu)著色等領(lǐng)域。以水分-材料相互作用為特征的最新進(jìn)展主要出現(xiàn)在水分驅(qū)動(dòng)的能量產(chǎn)生(MEG)主題上，它從周圍空氣中收集能量用于電力輸出?，F(xiàn)有的腦磁圖設(shè)備只能對(duì)周圍濕度產(chǎn)生瞬時(shí)響應(yīng)，并且完全依賴于外部相對(duì)濕度(RH)的變化。現(xiàn)在，新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長期輸出，如蛋白質(zhì)納米線、異質(zhì)聚合物和離子水凝膠，這被廣泛認(rèn)為是推動(dòng)MEG發(fā)展的關(guān)鍵進(jìn)展。除了可持續(xù)性之外，通常通過功率密度評(píng)估的乙二醇性能也通過上述創(chuàng)新顯著提高到100 μW cm^?³以上。新興的濕氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電(MEG)技術(shù)為濕度響應(yīng)材料、設(shè)備以及信息安全等領(lǐng)域的跨學(xué)科機(jī)會(huì)開辟了新的可能性。然而，這種潛力尚未開發(fā)。

來自新加坡國立大學(xué)的學(xué)者報(bào)道了通過在炭黑表面選擇性涂覆離子吸濕水凝膠的具有濕離子能量轉(zhuǎn)換途徑的原始MEG結(jié)構(gòu)。濕離子途徑的特征在于一個(gè)過程，其中收集的能量存儲(chǔ)在離子水凝膠和碳納米粒子之間的界面處形成的雙電層中。在水凝膠涂覆的濕碳上產(chǎn)生的電場和干碳區(qū)域的其余部分因此持久存在。基于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，通過在碳平臺(tái)上設(shè)計(jì)水凝膠圖案，提出了用于濕度調(diào)節(jié)信息加密和顯示的濕電子信息接口。此外，通過調(diào)節(jié)離子水凝膠的吸濕性并結(jié)合編碼方法(例如，莫爾斯電碼)，證明了在某些濕度范圍內(nèi)，可以對(duì)HEII平臺(tái)進(jìn)行編程以攜帶不同信息。不像那些傳統(tǒng)的防偽方法，一旦提供所需的刺激，就以光學(xué)方式揭示隱藏的信息，新的HEII作為一種高安全性加密和顯示的分層解決方案。相關(guān)文章以“Self-Sustained Programmable Hygroelectronic Interfaces for Humidity-Regulated Hierarchical Information Encryption and Display”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202208081

圖1.a） MEG的基本HEII結(jié)構(gòu)示意圖。b）吸濕性離子水凝膠通過吸水的透明度。c） LiCl/PVA水凝膠的吸水等溫線。插圖顯示了將總吸水率總結(jié)為 RH 函數(shù)的圖。d）制備的HEII的物理圖像（頂行）和光學(xué)顯微鏡圖像（底行）。e） HEII 的表面特征，包括：（i）實(shí)物圖片;（ii） SEM圖像顯示兩個(gè)區(qū)域，并對(duì)選定的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步掃描以進(jìn)行EDX;（iii） SEM圖像，顯示每個(gè)區(qū)域的形態(tài)和CB納米顆粒;（iv）選定地區(qū)的EDX地圖，顯示碳（左）和氯（右）的分布。f） HEII吸水后的配水圖。

圖2.a）說明測量設(shè)置的示意圖。電極從HEII的一端移動(dòng)到另一端，而另一個(gè)電極始終保持在干燥端。從潮濕區(qū)域移動(dòng)到干燥區(qū)域被定義為濕到干，反之亦然。b）在這種情況下相應(yīng)地測量的 V_oc。c） HEII 在 ±1.0 V 的交變電位下進(jìn)行整流。 d）純 CB 表面的 KPFM在保濕前后的圖像。e）CB納米顆粒的Zeta電位（ζ）作為鹽（LiCl）濃度的函數(shù)。f）在吸水前后測量的HEII的CV曲線。掃描速率為50 mV S^?¹。g）說明HEII的工作原理和能量轉(zhuǎn)換路線的示意圖。h）在飽和吸收狀態(tài)下監(jiān)測HEII的質(zhì)量變化和V_OC超過30天。

圖3.a）大尺寸 CB 片材的物理圖片，表明已開發(fā)的 HEII 的理想可擴(kuò)展性。b）使用LiCl / PVA水凝膠以“NUS”字符圖案化的碳片的物理圖像。c）說明“NUS”圖案碳片的示意圖。虛線突出顯示掃描線。d）所選線的掃描光譜顯示所有標(biāo)記的峰和間隙均已準(zhǔn)確識(shí)別。e）設(shè)計(jì)碳板的表面電位圖，清楚地顯示了“NUS”模式。f）摩爾斯電碼集成HEII，用于信息加密和傳輸?！癝OS”由摩爾斯電碼編碼并涂在碳帶上。為了解碼它，通過移動(dòng)探頭掃描條帶，可以從掃描光譜中識(shí)別出不同長度的峰。 g）相應(yīng)獲得的掃描信號(hào)和解碼過程。根據(jù)峰的寬度，它們被解釋為點(diǎn)或破折號(hào)，摩爾斯電碼背后的信息隨后經(jīng)過快速翻譯獲得。

圖4.a）各種吸濕性鹽的DRH。b）不同離子水凝膠的電壓響應(yīng)作為 RH 的函數(shù)。通過將PVA包埋4種不同DRH的吸濕鹽（包括LiCl（DRH-10%）、CaCl₂（DRH-35%）、CoCl₂（DRH-60%）和NaCl（DRH-76%））獲得水凝膠。c）在特定相對(duì)濕度范圍內(nèi)隱藏和顯示信息的預(yù)期意圖，隨著相對(duì)濕度的增加，信息通過從“1”到“9”的演變數(shù)字具體化。d）用于所需目的的可編程HEII的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以及在不斷變化的RH范圍內(nèi)根據(jù)表面電位圖。e）具有反向信息加密策略的二維碼集成 HEII 的表面電位圖。HEII通過全吸水隱藏高RH的攜帶信息，并通過部分水解吸揭示低RH下的信息。

本研究提出了一種獨(dú)特的MEG結(jié)構(gòu)，具有不尋常的轉(zhuǎn)換路線，用于濕度調(diào)節(jié)的信息加密和顯示。這種轉(zhuǎn)化過程是通過CB表面上的不對(duì)稱吸濕性實(shí)現(xiàn)的，CB表面是通過鹽基吸濕性離子水凝膠的選擇性處置制備的。所獲得的裝置，稱為HEII，能夠形成穩(wěn)定的含水量梯度，其封閉區(qū)域保持在濕狀態(tài)，而休息區(qū)保持干燥狀態(tài)。本研究觀察到，濕區(qū)和干區(qū)的面內(nèi)電位差產(chǎn)生，V_oc穩(wěn)定保持在0.6-0.7 V。本研究的表征和分析證實(shí)，觀察到的電響應(yīng)起源于CB納米顆粒和水性水凝膠之間界面處的EDL形成，這是由從空氣中收集水自發(fā)觸發(fā)的。

因此，即使在飽和吸水后，產(chǎn)生的電壓也可以持久持續(xù)?；诔志玫碾娦盘?hào)，本研究全面挖掘了HEII作為智能電子信息承載平臺(tái)的潛力。本研究證明了HEII的表面電位圖可以通過對(duì)吸濕涂層進(jìn)行圖案化，直接傳遞吸水后的信息。此外，通過與編碼方法（例如摩爾斯電碼）集成，HEII加密信息的安全性得到了增強(qiáng)。此外，本研究在HEII平臺(tái)中引入了DRH和其他吸濕鹽，實(shí)現(xiàn)了在特定RH范圍內(nèi)隱藏和顯示的可編程和分層信息。憑借易于制造和廣泛的適用性，所開發(fā)的HEII被認(rèn)為是信息技術(shù)領(lǐng)域具有競爭力的候選電子平臺(tái)。(文：SSC）

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