中国青年学者一作！最新《AM》：用作信息显示，存储以及加密的Janus颗粒群超材料

显示屏作为信息传递的媒介，已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而，无论是液晶屏、OLED，还是墨水屏，它们都依赖电力来驱动像素的切换。当电力中断时，显示屏会失去功能，无法维持信息显示。而在自然界中，鱿鱼的皮肤可以显示出不同的图案和视觉效果。鱿鱼皮肤表面含有充满液态色素的色素囊，通过肌肉的挤压和舒张，色素囊会改变形态，从而在皮肤表面形成不同的颜色和图案。这个过程完全无需电力，仅依赖于肌肉的机械运动。

受这一自然现象的启发，密歇根大学的Z. Zhang、J. Lahann和A. Pena-Francesch团队开发出一种依赖磁场驱动的柔性显示屏。通过电流体动力喷射（EHD jetting）技术，研究团队制备了具有磁响应性的Janus颗粒，并将其作为显示器的像素点。这种创新的显示器不仅能够通过外加磁场显示信息，还具备处理、存储数据和加密的能力。相关研究成果发表在《Advanced Materials》期刊上，标题为“Janus Swarm Metamaterials for Information Display, Memory, and Encryption”。

图1. Janus Swarm Metamaterials for Information Display, Memory, and Encryption

在自然界中，鱿鱼的皮肤中存在液态的色素囊，在肌肉舒张时，只有几微米大小，但在肌肉挤压下，液囊会延展到几百微米，而显现出来。受此启发，研究者制备了与色素囊维度类似的Janus颗粒，颗粒的一半表面含有橘红色的磁性微粒，另一半含有白色颜料（见图2）。当这些颗粒被封装在柔性容器内并置于外加磁场下时，颗粒会因磁力矩的作用而旋转，直到其内部磁性方向与外部磁场方向一致。通过改变磁场方向，研究人员可以精确控制这些颗粒的旋转方向，从而改变显示屏表面的颜色，实现像素的开关效果。

图2. Janus颗粒和显示屏的制造过程。a）通过电流体动力喷射技术得到包含磁性颗粒和白色颜料的双组分纤维，并切割成圆柱状；b）圆柱经过表面能量衰减得到球形Janus颗粒；c）柔性显示屏制备；d）显示屏在磁场控制下显示开-关状态；e）使用特定背景，增加不同状态的对比度。

在均匀磁场中，Janus颗粒群可以同步旋转，整个显示器表现出统一的颜色或图案。然而，当使用非均匀磁场时，颗粒的旋转会根据其所在位置的磁场方向发生变化，显示出复杂的图形和信息。通过编辑这些非均匀磁场，还可以实现对显示内容的精确控制。更进一步，利用动态非均匀磁场，这种显示器还能实现动态图像的实时显示。（图3a,b）

信息存储元件，如电脑的内存和硬盘，通常分为两类：挥发性存储和非挥发性存储。挥发性存储在能量移除后会丢失数据，如断电后的内存；而非挥发性存储则能够在断电后保留数据，如硬盘中的信息。在这项研究中，Janus颗粒主要使用了超顺磁性材料。这种材料在较强外加磁场下能够改变其磁化方向，并在磁场移除保持微弱的磁性。当施加较弱的磁场时，Janus颗粒会按照外加磁场方向排列，显示出该方向的图案（图3c）。然而，当外加磁场强度增大时，Janus颗粒的磁化方向会被“写入”或“编码”，相当于将磁场的方向性信息永久储存在这些颗粒中。通过施加均匀磁场，储存的信息可随时读取，展示出记录下的图案（图3d,e）。

图3. Janus颗粒显示器及信息存储。a）在非均匀磁场中，Janus颗粒显示出特定图案；b）显示器在动态磁场下显示动态图案；c）通过控制磁场强度实现半挥发性记忆以及d）非挥发性记忆存储模式；e）在非挥发性记忆模式下，信息被编码到显示器中，并可以被暂时抹除和复原

进一步研究表明，使用特定的非均匀磁场作用于已经编码好的Janus颗粒群时，显示的图案不是简单的外加非均匀磁场或编码磁场的单一结果，而是两者的叠加效应，形成一种独特的“异或”图案。如图4a所示，编码的磁场使Janus颗粒群显示出左右分布的图案。然而，当施加上下分布的外加磁场时，颗粒群显示出了四块区域。这四块区域的图案可以看作是初始编码磁场与外加磁场的叠加结果，即一种“异或”效应。这种效应为信息加密提供了新方法。

通过这种方式，研究人员实现了图像信息的加密处理。如图4b和c所示，Janus颗粒群首先被加密磁场编码，并在均匀磁场下显示出加密的公共信息。然而，只有在施加特定设计的解码磁场时，颗粒群才会显示出隐藏的加密信息。这意味着，研究人员可以通过相同的公共信息传递不同的加密信息，或者通过不同的公共信息传递相同的加密信息，为信息加密和保护提供了灵活性。

图4. Janus颗粒群显示器的图案加密功能。a）Janus颗粒群显示的图案是编码磁场和解码磁场的“异或”信息；b）为了传递信息“○”，首先将颗粒群编码为公共信息“×”，之后仅在解码磁场的作用下显示出真实信息“○”；c）这种加密途径可以使用相同的公共信息传递不同的加密信息；d）以及不同的公共信息传递相同的加密信息。

此外，由于以上应用利用了超顺磁性材料容易改变磁化方向的特征，作者还探究了不同磁性材料对显示功能的影响。具体请参考原文。

总结而言，作者开发了磁响应的Janus颗粒并构建了基于磁场驱动的非自发光柔性显示屏。这项技术不仅能够显示复杂的静态与动态图像，还可以通过对Janus颗粒的编码实现信息的存储。更重要的是，利用磁场间的“异或”效应，研究团队实现了信息的加密与解密功能。这一创新首次将磁性颗粒用于复杂信息的显示、存储和加密，为下一代物理计算设备和显示技术奠定了基础。

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文章连接：
https://doi.org/10.1002/adma.202406149

来源：高分子科学前沿

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