《Adv Mater》：一种独特结构！用于湿度调节的信息加密和显示

气态的水，即湿气，普遍存在于空气中。这种无处不在的独特性质使其成为一种理想且易于获得的环境刺激，可引发对水分敏感的材料和设备的物理或化学反应。这种特殊的响应能力已经广泛应用于环境传感、机械驱动、软机器人、结构着色等领域。以水分-材料相互作用为特征的最新进展主要出现在水分驱动的能量产生(MEG)主题上，它从周围空气中收集能量用于电力输出。现有的脑磁图设备只能对周围湿度产生瞬时响应，并且完全依赖于外部相对湿度(RH)的变化。现在，新材料和结构设计已经实现了长期输出，如蛋白质纳米线、异质聚合物和离子水凝胶，这被广泛认为是推动MEG发展的关键进展。除了可持续性之外，通常通过功率密度评估的乙二醇性能也通过上述创新显著提高到100 µW cm⁻³以上。新兴的湿气驱动发电(MEG)技术为湿度响应材料、设备以及信息安全等领域的跨学科机会开辟了新的可能性。然而，这种潜力尚未开发。

来自新加坡国立大学的学者报道了通过在炭黑表面选择性涂覆离子吸湿水凝胶的具有湿离子能量转换途径的原始MEG结构。湿离子途径的特征在于一个过程，其中收集的能量存储在离子水凝胶和碳纳米粒子之间的界面处形成的双电层中。在水凝胶涂覆的湿碳上产生的电场和干碳区域的其余部分因此持久存在。基于这种独特的结构，通过在碳平台上设计水凝胶图案，提出了用于湿度调节信息加密和显示的湿电子信息接口。此外，通过调节离子水凝胶的吸湿性并结合编码方法(例如，莫尔斯电码)，证明了在某些湿度范围内，可以对HEII平台进行编程以携带不同信息。不像那些传统的防伪方法，一旦提供所需的刺激，就以光学方式揭示隐藏的信息，新的HEII作为一种高安全性加密和显示的分层解决方案。相关文章以“Self-Sustained Programmable Hygroelectronic Interfaces for Humidity-Regulated Hierarchical Information Encryption and Display”标题发表在Advanced Materials。

论文链接：

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

图1.a） MEG的基本HEII结构示意图。b） 吸湿性离子水凝胶通过吸水的透明度。c） LiCl/PVA水凝胶的吸水等温线。插图显示了将总吸水率总结为 RH 函数的图。d） 制备的HEII的物理图像（顶行）和光学显微镜图像（底行）。e） HEII 的表面特征，包括：（i） 实物图片;（ii） SEM图像显示两个区域，并对选定的区域进行进一步扫描以进行EDX;（iii） SEM图像，显示每个区域的形态和CB纳米颗粒;（iv） 选定地区的EDX地图，显示碳（左）和氯（右）的分布。f） HEII吸水后的配水图。

图2.a） 说明测量设置的示意图。电极从HEII的一端移动到另一端，而另一个电极始终保持在干燥端。从潮湿区域移动到干燥区域被定义为湿到干，反之亦然。b） 在这种情况下相应地测量的 V_oc。c） HEII 在 ±1.0 V 的交变电位下进行整流。 d） 纯 CB 表面的 KPFM在保湿前后的图像。e）CB纳米颗粒的Zeta电位（ζ）作为盐（LiCl）浓度的函数。f） 在吸水前后测量的HEII的CV曲线。扫描速率为50 mV S⁻¹。g） 说明HEII的工作原理和能量转换路线的示意图。h） 在饱和吸收状态下监测HEII的质量变化和V_OC超过30天。

图3.a） 大尺寸 CB 片材的物理图片，表明已开发的 HEII 的理想可扩展性。b） 使用LiCl / PVA水凝胶以“NUS”字符图案化的碳片的物理图像。c） 说明“NUS”图案碳片的示意图。虚线突出显示扫描线。d） 所选线的扫描光谱显示所有标记的峰和间隙均已准确识别。e） 设计碳板的表面电位图，清楚地显示了“NUS”模式。f） 摩尔斯电码集成HEII，用于信息加密和传输。“SOS”由摩尔斯电码编码并涂在碳带上。为了解码它，通过移动探头扫描条带，可以从扫描光谱中识别出不同长度的峰。 g） 相应获得的扫描信号和解码过程。根据峰的宽度，它们被解释为点或破折号，摩尔斯电码背后的信息随后经过快速翻译获得。

图4.a） 各种吸湿性盐的DRH。b） 不同离子水凝胶的电压响应作为 RH 的函数。通过将PVA包埋4种不同DRH的吸湿盐（包括LiCl（DRH-10%）、CaCl₂（DRH-35%）、CoCl₂（DRH-60%）和NaCl（DRH-76%））获得水凝胶。c）在特定相对湿度范围内隐藏和显示信息的预期意图，随着相对湿度的增加，信息通过从“1”到“9”的演变数字具体化。d） 用于所需目的的可编程HEII的实验准备，以及在不断变化的RH范围内根据表面电位图。e） 具有反向信息加密策略的二维码集成 HEII 的表面电位图。HEII通过全吸水隐藏高RH的携带信息，并通过部分水解吸揭示低RH下的信息。

本研究提出了一种独特的MEG结构，具有不寻常的转换路线，用于湿度调节的信息加密和显示。这种转化过程是通过CB表面上的不对称吸湿性实现的，CB表面是通过盐基吸湿性离子水凝胶的选择性处置制备的。所获得的装置，称为HEII，能够形成稳定的含水量梯度，其封闭区域保持在湿状态，而休息区保持干燥状态。本研究观察到，湿区和干区的面内电位差产生，V_oc稳定保持在0.6-0.7 V。本研究的表征和分析证实，观察到的电响应起源于CB纳米颗粒和水性水凝胶之间界面处的EDL形成，这是由从空气中收集水自发触发的。

因此，即使在饱和吸水后，产生的电压也可以持久持续。基于持久的电信号，本研究全面挖掘了HEII作为智能电子信息承载平台的潜力。本研究证明了HEII的表面电位图可以通过对吸湿涂层进行图案化，直接传递吸水后的信息。此外，通过与编码方法（例如摩尔斯电码）集成，HEII加密信息的安全性得到了增强。此外，本研究在HEII平台中引入了DRH和其他吸湿盐，实现了在特定RH范围内隐藏和显示的可编程和分层信息。凭借易于制造和广泛的适用性，所开发的HEII被认为是信息技术领域具有竞争力的候选电子平台。(文：SSC）