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  光學(xué)物理不可克隆函數(shù)（Optical Physical Unclonable Functions, OPUFs）是一類利用材料內(nèi)部的物理隨機結(jié)構(gòu)來生成獨特光學(xué)信號的前沿防偽技術(shù)，被視作下一代高安全性防偽與光學(xué)數(shù)據(jù)存儲的“明日之星”。OPUFs響應(yīng)機制是利用材料內(nèi)部固有的物理隨機結(jié)構(gòu)，在外部刺激下產(chǎn)生不可復(fù)制的獨特光學(xué)響應(yīng)，從而形成類似“光學(xué)指紋”的身份認證。這類技術(shù)通過將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為高安全性編碼，為下一代數(shù)據(jù)安全與防偽應(yīng)用提供了極具前景的解決方案。當(dāng)前，OPUFs的發(fā)展主要聚焦于多通道響應(yīng)能力提升與標(biāo)簽小型化兩個方向。然而，現(xiàn)有體系往往依賴多材料復(fù)合以實現(xiàn)多通道響應(yīng)，不可避免地引發(fā)材料相容性差、相分離及穩(wěn)定性低等問題；同時，標(biāo)簽尺寸的縮小常伴隨編碼容量顯著下降，限制了其實際應(yīng)用潛力。因此，如何在單一材料體系內(nèi)協(xié)同實現(xiàn)多通道不可克隆性、超高編碼容量及無損集成應(yīng)用，已成為該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

  理想的OPUFs標(biāo)簽需在單一材料體系內(nèi)協(xié)同實現(xiàn)物理結(jié)構(gòu)的不可復(fù)制隨機性與光學(xué)信號的高度可控響應(yīng)，其關(guān)鍵在于建立二者之間穩(wěn)定且可調(diào)的耦合機制。界面自組裝技術(shù)為此提供了重要的方法學(xué)路徑：該技術(shù)能夠跨尺度（從亞納米至宏觀）精確調(diào)控組裝過程，引導(dǎo)材料的基本構(gòu)筑單元在界面上自發(fā)形成復(fù)雜且唯一的微結(jié)構(gòu)，從而為構(gòu)建不可克隆的“物理指紋”奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在眾多候選材料中，聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）碳點具有實現(xiàn)這種“結(jié)構(gòu)?光學(xué)”精準(zhǔn)耦合的獨特優(yōu)勢。其發(fā)光特性緊密依賴于聚集狀態(tài)，通過調(diào)控聚集程度可在同一體系中呈現(xiàn)從綠色到紅色的多色熒光輸出；與此同時，其表面官能團的可編程修飾能力，使得材料在自組裝過程中能夠演化出具有高度隨機性的精細微觀形態(tài)，從而自然嵌入不可克隆特征。此外，碳點本身所具有的高穩(wěn)定性、良好生物相容性及易于制備大面積均勻薄膜的工藝特性，進一步為OPUFs標(biāo)簽的規(guī)�；苽渑c實用化部署提供了堅實基礎(chǔ)。

  前期，杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院黃又舉教授團隊提出了一種超疏水力誘導(dǎo)的超快速（5秒）界面納米粒子宏觀單層自組裝的納米薄膜工程化技術(shù)，并實現(xiàn)了納米粒子超晶格自組裝（Science Advances, 2021, 7, eabk2852; Journal of the American Chemical Society, 2025, 147,10369; Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202502129）。基于此，研究團隊進一步以聚集態(tài)可調(diào)的多色AIE碳點為組裝基元，通過界面自組裝成功構(gòu)筑出大面積、結(jié)構(gòu)自適應(yīng)的智能納米薄膜。該薄膜的獨特之處在于，其在亞納米、納米及微米三個尺度上均具有高度隨機性，且這些隨機結(jié)構(gòu)能夠直接耦合到多色發(fā)光行為中，從而在單一材料體系中實現(xiàn)了多重不可克隆光學(xué)特征的集成。

  2025年12月6日，相關(guān)研究工作以“Enabling Single-Challenge Multichannel-Response OPUFs: Adaptive Nanofilms from Aggregation-Controlled Multicolor Carbon Dots”為題發(fā)表在Advanced Materials（2025, DOI: 10.1002/adma.202519060）上。該工作第一作者為杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院吳雙雙博士，通訊作者為杭州師范大學(xué)黃又舉教授，南昌大學(xué)黃小林教授和香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠教授，杭州師范大學(xué)為第一單位。

圖1. OPUFs標(biāo)簽的跨尺度（亞納米、納米及微米）結(jié)構(gòu)設(shè)計與防偽原理。

  針對現(xiàn)有OPUFs材料難以兼顧結(jié)構(gòu)不可復(fù)制性與光學(xué)信號可控性的長期瓶頸，研究團隊基于多色AIE碳點的跨尺度（亞納米、納米及微米）界面組裝技術(shù)，設(shè)計了單挑戰(zhàn)、多通道響應(yīng)的新一代標(biāo)簽，從而構(gòu)建出全新的多尺度安全防偽架構(gòu)。核心技術(shù)來自對AIE碳點表面官能團的精準(zhǔn)調(diào)控，使碳點在組裝過程中形成可控的聚集狀態(tài)，并自發(fā)演化為具有高度隨機性的亞納米分形結(jié)構(gòu)，成為無法復(fù)刻的微觀“光學(xué)指紋”。在此基礎(chǔ)上，進一步引入的隨機組裝與微米級印刷過程又疊加出獨特的微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從分子結(jié)構(gòu)到宏觀圖案的全鏈路不可克隆。測試表明，一個僅5微米的標(biāo)簽即可在亮場、綠光和紅光三個通道生成獨立加密密鑰，具備近乎理想的比特均勻性與極低錯誤率，理論編碼容量達到約2.04×10⁹⁰，展現(xiàn)出極高的信息承載與安全潛力。

圖2. 通過可控聚集設(shè)計熒光可調(diào)、多色的AIE碳點。

  這項技術(shù)的關(guān)鍵在于納米結(jié)構(gòu)調(diào)控如何直接影響防偽性能。團隊首先設(shè)計了多色碳點并利用AIE效應(yīng)調(diào)控光學(xué)特性。通過精確控制表面氧化程度，碳點可從藍色發(fā)光逐漸調(diào)控到綠色或紅色發(fā)光。這一變化不僅來自碳點內(nèi)部共軛體系的發(fā)光，還與表面功能基團的分布緊密相關(guān)。亞納米級的聚集體結(jié)構(gòu)控制了碳點的發(fā)光波長，而聚集形態(tài)的差異又形成獨特的“光學(xué)指紋”，為每一個防偽標(biāo)簽奠定了不可復(fù)制的基礎(chǔ)。在微觀到納米尺度上，碳點的表面功能基團通過分子間相互作用調(diào)控聚集行為。不同氧化程度下的S-S鍵斷裂與保留，使得碳點的分子旋轉(zhuǎn)受限程度不同，從而精確調(diào)控了AIE效應(yīng)和發(fā)光顏色。也就是說，亞納米表面結(jié)構(gòu)直接決定了光學(xué)輸出，這是實現(xiàn)多色、多通道防偽的基礎(chǔ)。

圖3. 通過熵驅(qū)動組裝和熱輔助打印碳點納米薄膜制備隨機微納圖案。

  為了將這些納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可用的防偽標(biāo)簽，研究團隊采用了熵驅(qū)動的界面自組裝和熱轉(zhuǎn)印技術(shù)。AIE碳點聚集體在油水界面隨機排列，形成納米至微米級的無序結(jié)構(gòu)，再通過熱輔助打印轉(zhuǎn)印到基底上。實驗顯示，即便宏觀圖案相同，每個微米級像素在納米層面上都獨一無二。這種亞納米-納米-微米三級隨機性使標(biāo)簽的防偽性能大幅提升：宏觀圖案可讀，微觀結(jié)構(gòu)不可復(fù)制。此外，這種OPUFs標(biāo)簽可以在單一物理挑戰(zhàn)下生成三條獨立光學(xué)通道（亮場、綠光、紅光），每條通道都獨立生成二進制密鑰，用于高安全性認證。統(tǒng)計分析顯示，這些標(biāo)簽的隨機性和唯一性接近理論理想值，同時多次讀取的一致性極高，誤識率幾乎可以忽略不計。通過調(diào)控碳點的聚集狀態(tài)和表面結(jié)構(gòu)，不同通道的光學(xué)輸出可以完全區(qū)分，每一個微觀結(jié)構(gòu)都對應(yīng)一個唯一的光學(xué)響應(yīng)，實現(xiàn)真正的多通道光學(xué)不可克隆特性。

  該工作得到了國家自然科學(xué)基金（52222316, U25A20385, 52473209, 22574072），中國博士后科學(xué)基金（2024M763695）及杭州師范大學(xué)啟動基金（4095C50223204052, 4095C5022421510）等項目的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202519060

作者簡介

黃又舉，教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)青，杭師大材化學(xué)院副院長。2010年博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，師從李良彬教授。2010-2014年在新加坡南洋理工大學(xué)做博士后。2014-2019年在中科院寧波材料所工作，任副研究員/項目研究員。2017-2018年，在德國馬普所高分子所做訪問學(xué)者。2019年9月入職杭州師范大學(xué)，組建納米生物傳感器關(guān)鍵材料團隊。以通訊作者在Science Advances，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials,Chemical Society Reviews等期刊上發(fā)表SCI論文100余篇。被引用12000余次，H因子為58。授權(quán)中國和美國發(fā)明專利35件。主持科研項目20余項，包括7項國家自然科學(xué)基金。獲首屆浙江省青年科技英才獎（2021年），浙江省自然科學(xué)二等獎（2023年，第一完成人）和全國"挑戰(zhàn)杯"揭榜掛帥專項賽一等獎（2024年，指導(dǎo)老師）。入選浙江省海外高層次人才引進計劃（2016年）和國家自然基金委優(yōu)秀青年項目（2022年）。

吳雙雙，杭州師范大學(xué)—中南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后。2023年于中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲得博士學(xué)位，師從陳濤研究員和路偉研究員。主要從事功能化熒光納米材料的設(shè)計與合成，以及新型熒光防偽平臺的構(gòu)建。相關(guān)研究以第一作者或通訊作者身份在Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Science Bulletin, Advanced Science等國際知名期刊發(fā)表SCI論文9篇，并參與發(fā)表二十余篇科研論文。主持中國博士后科學(xué)基金1項，參與多項國家自然科學(xué)基金、省部級重大項目及企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目。