近日，南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队联合西北工业大学魏冰妍副教授、赵建林教授团队提出了一种触控双手性液晶超结构，通过融合编码近场微纳结构色、远场彩色矢量全息及温度响应等多维度信息，实现了触摸驱动的动态嵌套光学加密。特别地，只有按照特定顺序执行多重解密，并在最后一步由人体触摸触发，才能正确解密。本研究进一步推动了手性纳米结构的构筑操控，创新地将多种光学自由度与人机交互相结合，为高安全性与高容量的光学信息处理提供了新范式。相关成果以“Touch-Driven Bi-Chiral Superstructures for Nested Encryption of Multiplexed Optical Information”为题，发表于Advanced Materials。
近三年，陈鹏、陆延青团队在双手性液晶超结构的概念提出、构筑操控与应用拓展方面取得了系列创新成果，发展了多维光刻新手段，实现了液晶异质结构的精准微纳构筑，突破了液晶光场调控的自由度瓶颈，催生了结构色、全息显示、光学加密、光计算等新应用。2022年，团队率先提出了基于双手性共存液晶超结构的新型几何相位元件，突破了传统单一手性液晶的调制局限【Light Sci. Appl. 11, 135 (2022)】。2023年，进一步构筑了分层集成的双手性液晶微纳结构，发现了动态反射式旋光色散新效应，实现了自旋解耦、多元刺激响应的多色光复用【Adv. Mater. 35, 2301714 (2023)】。2025年，提出多维光刻新策略，构建了手性与非手性液晶相嵌集成的异质超结构，达到了液晶调控光场的最高自由度，为多维度联合控制与高密度信息编码开辟了新路径【Adv. Mater. 37, 2506778 (2025)】。本研究作为此方向的延续与深化，创新性地引入了触摸驱动的人机交互机制，实现了全息加密信息的主动式验证【Adv. Mater. 37, e13318 (2025)】，标志着双手性液晶超结构体系从“被动显示”迈向“主动智能交互”的关键一步。
关键词：手性结构，光学加密，全息，液晶，光信息复用
随着数据安全需求的不断增长，光学加密因其高速、高并行性以及低功耗等特性，已成为一种极具潜力的解决方案。然而，现有方法（如全息、结构色以及散斑场等）通常依赖于静态光学结构，仅涉及有限的光学自由度，从而导致加密策略较为简单，易受到攻击，并且多局限于单次加密，其有限的加密维度进一步制约了其发展。相比之下，动态结构不仅能够实现功能切换与外场调控，还可将光随时间的变化引入作为新的加密维度。然而，如何同时集成多种光学自由度并赋予其动态响应能力，是当前面临的关键挑战。二者间的权衡与冲突，已成为制约高性能光学加密发展的桎梏之一。因此，亟需构建一个能动态调控多重光学自由度的平台，以协同提升加密的复杂度与安全性。
胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystal, CLC）具有周期性的手性螺旋结构，可形成自旋选择性的布拉格反射带，使得只有与其手性相匹配的圆偏振光能够在该反射带内被选择性反射。特别地，CLC具有优异的相位调控能力，并对热、电、力、光、湿度等外界刺激具有优异的响应特性。依托其柔性可调的软物质属性和可精确编程的微纳结构，CLC有望在同一体系中整合多种光学自由度、环境刺激响应、乃至用户的生物特征，为解决光学加密多样而复杂的现实需求提供新的可能性。
图1.基于双手性液晶超结构的触摸驱动动态嵌套光学加密
针对上述挑战，联合团队提出了一种基于触摸驱动双手性胆甾相液晶的多重嵌套光学加密平台（图1a），成功实现了将人机交互功能与多重光学自由度相结合的嵌套加密。利用表面引发的洗去/重填工艺与多步光刻技术，构筑了一种分层的双手性胆甾相液晶超结构。其中，右手性胆甾相液晶（R-CLC）具有空间可变螺距的浮雕状微结构，而左手性胆甾相液晶（L-CLC）对温度敏感，可对人的触摸产生响应。受多重加密思想的启发，本研究提出了一种四步动态加密算法，将波长、振幅、偏振及触摸响应作为四个加密维度进行编码（图1b）。仅当按特定顺序解密时，加密内容才能通过结构色、彩色矢量全息等方式层层揭开。特别地，在最后一步中，需借助人体触摸造成的温度变化才能正确解密，从而进一步提升了信息加密的安全性。本研究拓展了手性纳米结构的动态调控方法，为实现高安全性光学加密与解密提供了一种切实可行的新途径。
（1） 彩色旋光矢量全息加密
双手性超结构由左手性L-CLC和右手性R-CLC分层集成而得。由于CLC的自旋选择性布拉格反射，左旋和右旋圆偏振光将会在对应手性CLC的表面附近反射，并获得与对应手性CLC指向矢相关的几何相位，即自旋解耦的几何相位。在本研究中，利用双手性CLC独立的圆偏振通道，在算法上设置相应的相对相位差约束（图 2a,b），当左右旋全息图像重叠并干涉时，预设的矢量信息得以显现。在实验中，信息被加密在偏振维度中，仅在线偏振入射和特定角度检偏时，才能成功解密出隐藏的信息（图 2c-e）。同时，得益于独特的分层手性结构，左右旋圆偏振光之间的相对相位差会随波长产生可预测的变化，这种机制被称为反射式旋光色散。利用这一色散规律，能够在不同波长下解密出不同的信息（图 2f-i）。这一现象凸显了基于双手性超结构进行加密的独特潜力，有望实现更丰富的加密形式和更高的信息安全性。
图2. 基于双手性液晶超结构的彩色矢量全息加密
（2） 多维度动态光学加密
基于所提出的矢量全息加密方案，本研究进一步引入了浮雕状的R-CLC和温感的L-CLC，成功将波长、振幅、偏振、温度四个维度进行联合编码，并将人机交互引入加密/解密过程中，实现了一种触摸（温度）驱动的光学加密。本研究结合振幅调制的矢量全息算法（图3a），相位被预设掩模分为两部分（对应不同的结构色区域）。提出了一种多步光刻技术（图3b），通过图案化的曝光时间调控，可获得不同螺距的R-CLC结构，得到彩色的近场微纳结构色图案（图3c）。采用特定配方的温感L-CLC，能在人体触摸（温度升高）时，使L-CLC螺距缩短，布拉格反射带发生蓝移（图3d-f）。唯有同一区域的两种手性CLC的布拉格反射带重叠时，方能生成预设的矢量全息。通过人体触摸改变温度，可实现不同布拉格带重叠的动态调节，从而使矢量全息图在“触摸”标记与“LC”图案之间实现动态切换。该方案将多个维度信息嵌套编码加密，创新地将温度变化与人机交互关联，在高端防伪与智能显示领域潜力显著。
图3. 多维度动态光学加密：远场彩色矢量全息＆近场结构色＆温度响应
（3） 触摸驱动的嵌套光学解密
解密过程呈现出多步嵌套的特点——下一步的密钥被隐藏在本步解密的密文中，明文只能通过特定顺序层层解密得出，并且最终步骤需由触摸操作完成。如图4所示，制备的双手性液晶超结构展现出了鲜艳的近场微纳结构色与高质量的远场彩色矢量全息。近场的微纳结构色仅能在显微系统中观察到，“LASER”的红、绿色图样暗指了双波长激光衍射这一密钥（图4a, b）。激光照射后，远场呈现出由“检偏片”、“告示牌”、“宝箱”组成的全息图案（图4c）。其中，“检偏片”标志暗示了下一步解密所需要的检偏操作。在检偏之后，“告示牌”上浮现了“手指触摸”的图案（图4d），表示需要人体触摸来完成下一步解密。触摸后，L-CLC布拉格带移动至绿色区域，全息图像主体变成绿色，“宝箱”处形成矢量态并被检偏，隐藏的“LC”信息得以解密（图4e）。该过程展现出触控双手性液晶超结构在信息加密应用中的高安全性与独特的人机交互能力。
总结与展望
该工作提出了一种基于触控双手性液晶超结构的动态嵌套光学加密技术。通过表面引发的洗去/重填工艺与多步光刻技术，构筑了触摸驱动的双手性胆甾相液晶，可高效调控振幅、相位、偏振、波长、空间以及时间变化等六种自由度，实现了在近远场、偏振、波长及温度等四种维度上的多路复用加密。本研究为主动式手性纳米结构的构筑操控提供了新思路，所提出的多种光学自由度与人机交互相结合的新方案为智能身份认证提供了一种多功能范式，显著提升了信息数据容量并增强了信息安全性，为光学加密、智能显示、信息存储与处理等领域拓展了新路径。
南京大学为该工作的第一完成单位，现代工程与应用科学学院研究生孙睿、刘思嘉为共同第一作者，南京大学的陈鹏副教授、陆延青教授与西北工业大学的魏冰妍副教授、赵建林教授为共同通讯作者，西北工业大学的张逸恒副教授、研究生徐培涵、南京大学的研究生朱琳、朱栋、陈闻、王一鸣、丁世辉及葛士军博士对本文亦有重要贡献。该研究由国家自然科学基金基础科学中心项目/优秀青年科学基金/青年学生项目、中央高校基本科研业务费专项资金等资助完成。同时感谢晶萃光学的大力支持。
* 论文信息
Touch-Driven Bi-Chiral Superstructures for Nested Encryption of Multiplexed Optical Information
Rui Sun#, Si-Jia Liu#, Yi-Heng Zhang, Pei-Han Xu, Lin Zhu, Dong Zhu, Wen Chen, Yi-Ming Wang, Shi-Hui Ding, Shi-Jun Ge, Peng Chen*, Bing-Yan Wei*, Jianlin Zhao*, Yan-Qing Lu*
Advanced Materials 37, e13318 (2025).
* 论文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202513318
撰稿|课题组
