武漢大學劉興海教授AM：水驅動“隱身-發光”雙功能智能水凝膠，開辟信息加密新路徑

隨著5G通信、雷達探測與便攜電子設備的飛速發展，電磁波污染日益嚴重，不僅干擾設備正常運行，還可能威脅人體健康與信息安全。傳統電磁波吸收材料往往功能單一、依賴水分、性能不穩定，難以在復雜環境中實現多響應協同。如何在單一材料中集成多種功能并實現環境觸發式切換，成為當前材料科學面臨的重要挑戰。

近日，武漢大學劉興海教授團隊成功設計出一種基于水驅動功能切換的多功能復合水凝膠。該材料在濕潤狀態下表現出優異的微波吸收性能，而在干燥后則能發射穩定的室溫磷光。通過向碳點中摻雜銅原子，研究人員在分子尺度調控了水凝膠中的氫鍵網絡與水分子狀態，從而協同增強材料的電磁損耗與發光性能。該研究為開發兼具電磁防護與光學信息加密功能的智能材料提供了全新思路。相關論文以“A Water-Driven Switchable Material for Optical and Electronic Information Security: Electromagnetic Shielding and Optical Encryption”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先通過銅摻雜碳點（Cu?-CDs）的引入，精細調節了水凝膠內部的氫鍵結構。拉曼光譜與熱重分析表明，銅摻雜降低了強氫鍵比例，增加了自由水分子的含量，從而在交變電磁場中更有效地促進偶極極化與界面電荷遷移。拉伸測試與流變學表征進一步顯示，適量羧甲基纖維素（CMC）的加入可增強網絡交聯，優化機械性能與水分保持能力，為后續電磁與光學功能的實現奠定結構基礎。

圖1 （a）PCC-n 水凝膠中水驅動功能轉換示意圖。（b）不同組成的 PC/PCC 水凝膠的傅里葉變換紅外光譜；（c）熱重分析曲線；（d）X射線衍射圖譜；（e）拉伸應力-應變曲線；（f）頻率掃描與（g）振幅掃描結果。

在電磁性能方面，隨著銅摻雜量的增加，復合水凝膠的介電常數與損耗能力顯著提升。其中 PCC-4 樣品在 2.65 mm 厚度下實現了最小反射損耗 -62.67 dB，而 PCC-2 樣品在 2.75 mm 厚度下獲得了 5.94 GHz 的最大有效吸收帶寬。電化學阻抗與 Cole-Cole 圖譜分析表明，銅摻雜不僅增強了碳點本身的電荷遷移能力，還引入了更多界面極化與缺陷偶極弛豫過程，從而協同提升電磁波損耗效率。通過特斯拉線圈與雷達散射截面模擬實驗，團隊進一步驗證了該材料在真實場景中具有優異的電磁屏蔽與雷達波衰減潛力。

圖2 （a）PCC-n 水凝膠在 2–18 GHz 頻率范圍內的復介電常數（實部 ε′，虛部 ε″）。（b–f）分別為 PCC-0 至 PCC-4 的反射損耗三維圖。（g）對應的最大有效吸收帶寬與最小反射損耗值。（h）PCC-n 水凝膠的電化學阻抗譜 Nyquist 圖。（i）不同銅摻雜結構的密度泛函理論計算能量趨勢。（j）選取的 Cu?-CDs 代表性結構的前線分子軌道示意圖。

圖3 （a）基于特斯拉線圈的簡易電磁場驗證系統示意圖。（b–f）分別為 PCC-0 至 PCC-4 覆蓋基板在遠場模擬的三維雷達散射截面分布。（g）各樣品在不同探測角度下的雷達散射截面值。

當水凝膠處于干燥狀態時，聚合物網絡重構形成剛性框架，有效抑制非輻射躍遷，從而激活穩定的室溫磷光發射。以 PCC-4 為例，在 315 nm 激發下產生壽命約 0.92 秒的綠色磷光，在 254 nm 激發下則出現壽命約 0.23 秒的藍色磷光。這種雙色、長余輝發光特性被成功應用于信息加密演示：通過將 PCC-4 薄膜與普通熒光膜按點陣排列，可在紫外燈關閉后通過余輝揭示隱藏圖案。材料在多次干濕循環中仍保持結構完整與功能可逆，顯示出良好的環境穩定性與實用潛能。

圖4 （a）PCC-4 的磷光激發-發射映射圖。（b）PCC-4 在 254 nm 與 315 nm 紫外激發下的磷光發射光譜；（c）磷光壽命衰減曲線。（d）315 nm 與（e）254 nm 紫外光激發后的時間依賴熒光圖像。（f）其在高級光學信息加密中的應用示意圖。

本研究通過氫鍵工程與金屬摻雜策略，成功構建了一種能夠根據環境濕度切換電磁吸收與發光功能的智能水凝膠。該材料不僅拓寬了多功能軟物質材料的設計思路，也為下一代電磁隱身、光學防偽與信息加密技術提供了新的材料平臺，展現出在動態環境中實現自適應功能集成的廣闊前景。