武汉大学刘兴海教授AM：水驱动“隐身-发光”双功能智能水凝胶，开辟信息加密新路径

随着5G通信、雷达探测与便携电子设备的飞速发展，电磁波污染日益严重，不仅干扰设备正常运行，还可能威胁人体健康与信息安全。传统电磁波吸收材料往往功能单一、依赖水分、性能不稳定，难以在复杂环境中实现多响应协同。如何在单一材料中集成多种功能并实现环境触发式切换，成为当前材料科学面临的重要挑战。

近日，武汉大学刘兴海教授团队成功设计出一种基于水驱动功能切换的多功能复合水凝胶。该材料在湿润状态下表现出优异的微波吸收性能，而在干燥后则能发射稳定的室温磷光。通过向碳点中掺杂铜原子，研究人员在分子尺度调控了水凝胶中的氢键网络与水分子状态，从而协同增强材料的电磁损耗与发光性能。该研究为开发兼具电磁防护与光学信息加密功能的智能材料提供了全新思路。相关论文以“A Water-Driven Switchable Material for Optical and Electronic Information Security: Electromagnetic Shielding and Optical Encryption”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先通过铜掺杂碳点（Cuₓ-CDs）的引入，精细调节了水凝胶内部的氢键结构。拉曼光谱与热重分析表明，铜掺杂降低了强氢键比例，增加了自由水分子的含量，从而在交变电磁场中更有效地促进偶极极化与界面电荷迁移。拉伸测试与流变学表征进一步显示，适量羧甲基纤维素（CMC）的加入可增强网络交联，优化机械性能与水分保持能力，为后续电磁与光学功能的实现奠定结构基础。

图1 （a）PCC-n 水凝胶中水驱动功能转换示意图。（b）不同组成的 PC/PCC 水凝胶的傅里叶变换红外光谱；（c）热重分析曲线；（d）X射线衍射图谱；（e）拉伸应力-应变曲线；（f）频率扫描与（g）振幅扫描结果。

在电磁性能方面，随着铜掺杂量的增加，复合水凝胶的介电常数与损耗能力显著提升。其中 PCC-4 样品在 2.65 mm 厚度下实现了最小反射损耗 -62.67 dB，而 PCC-2 样品在 2.75 mm 厚度下获得了 5.94 GHz 的最大有效吸收带宽。电化学阻抗与 Cole-Cole 图谱分析表明，铜掺杂不仅增强了碳点本身的电荷迁移能力，还引入了更多界面极化与缺陷偶极弛豫过程，从而协同提升电磁波损耗效率。通过特斯拉线圈与雷达散射截面模拟实验，团队进一步验证了该材料在真实场景中具有优异的电磁屏蔽与雷达波衰减潜力。

图2 （a）PCC-n 水凝胶在 2–18 GHz 频率范围内的复介电常数（实部 ε′，虚部 ε″）。（b–f）分别为 PCC-0 至 PCC-4 的反射损耗三维图。（g）对应的最大有效吸收带宽与最小反射损耗值。（h）PCC-n 水凝胶的电化学阻抗谱 Nyquist 图。（i）不同铜掺杂结构的密度泛函理论计算能量趋势。（j）选取的 Cuₓ-CDs 代表性结构的前线分子轨道示意图。

图3 （a）基于特斯拉线圈的简易电磁场验证系统示意图。（b–f）分别为 PCC-0 至 PCC-4 覆盖基板在远场模拟的三维雷达散射截面分布。（g）各样品在不同探测角度下的雷达散射截面值。

当水凝胶处于干燥状态时，聚合物网络重构形成刚性框架，有效抑制非辐射跃迁，从而激活稳定的室温磷光发射。以 PCC-4 为例，在 315 nm 激发下产生寿命约 0.92 秒的绿色磷光，在 254 nm 激发下则出现寿命约 0.23 秒的蓝色磷光。这种双色、长余辉发光特性被成功应用于信息加密演示：通过将 PCC-4 薄膜与普通荧光膜按点阵排列，可在紫外灯关闭后通过余辉揭示隐藏图案。材料在多次干湿循环中仍保持结构完整与功能可逆，显示出良好的环境稳定性与实用潜能。

图4 （a）PCC-4 的磷光激发-发射映射图。（b）PCC-4 在 254 nm 与 315 nm 紫外激发下的磷光发射光谱；（c）磷光寿命衰减曲线。（d）315 nm 与（e）254 nm 紫外光激发后的时间依赖荧光图像。（f）其在高级光学信息加密中的应用示意图。

本研究通过氢键工程与金属掺杂策略，成功构建了一种能够根据环境湿度切换电磁吸收与发光功能的智能水凝胶。该材料不仅拓宽了多功能软物质材料的设计思路，也为下一代电磁隐身、光学防伪与信息加密技术提供了新的材料平台，展现出在动态环境中实现自适应功能集成的广阔前景。