自然界中，蝴蝶翅膀的虹彩和鱼鳞的金属光泽源于其微观结构的周期性排列对光的干涉与衍射作用，这种现象被称为“结构色”。尽管人工合成结构色材料已取得进展，但实现对其动态调控仍面临挑战。

近期，南京林业大学范一民教授、英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授、卢翊博士合作，在《ACS Nano》发表题目为“Magnetoresponsive Cellulose Nanofiber Hydrogels: Dynamic Structuring, Selective Light Transmission, and Information Encoding”的论文。该研究通过将磁性纳米颗粒与氧化纳米纤维素结合，开发出具有磁场响应能力的水凝胶体系，不仅实现了光反射行为的实时调控，还可通过凝胶化固定微观结构，为光学信息编码与加密提供了新思路。南京林业大学范一民教授、英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授、卢翊博士为共同通讯作者，南京林业大学徐俊华博士为本文第一作者。

一、纳米纤维素的制备与磁性纳米颗粒的负载

纳米纤维素（CNF）是一类从植物细胞壁中提取的纳米级纤维材料，具有高比表面积、高强度及可生物降解性等特性。本研究采用TEMPO氧化法制备氧化纳米纤维素（TOCN）：在碱性条件下，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）选择性氧化纤维素表面的伯羟基为羧基（-COOH），赋予纤维表面负电荷（电荷密度约0.96 mmol/g）。

为实现磁场驱动下的动态调控，研究团队通过共沉淀法在TOCN表面负载磁性Fe3O4纳米颗粒（MNPs）。具体步骤包括：

离子吸附：将Fe2+与Fe3+以1:2摩尔比加入TOCN分散液，羧基通过配位作用与金属离子结合。

原位沉淀：滴加氨水至pH>10，促使Fe2+/Fe3+在TOCN表面共沉淀为磁性纳米颗粒，对纳米纤维实现磁性改性。

稳定性验证：通过XPS与FTIR证实MNPs与TOCN间未形成共价键，主要依赖静电与配位作用结合（图1）。

图1. 磁响应M-TOCN制备与表面的负载机制。

在磁场作用下，负载MNPs的TOCN（M-TOCN）表现出快速取向响应（响应时间<1 s）。通过SEM与SAXS分析，证实磁改性纳米纤维可沿外磁场方向高度有序排列（取向率82.5±2.5%）。这种排列显著影响光学行为：当纤维平行于样品表面时，光反射率最高；垂直排列时，反射率降低60%以上（图2）。

图2. M-TOCN在不同磁场方向下的纤维排列状态及反射光谱变化。

二、动态结构的凝胶化固定

磁场诱导的纤维取向具有可逆性，需通过pH响应性凝胶化实现结构固定。M-TOCN的羧基在碱性条件（pH > 8）下完全电离，胶体呈溶胶状态；当pH降至8以下时，羧基质子化，静电排斥减弱，纤维通过氢键与范德华力交联形成水凝胶。本研究创新性地采用乙酸蒸汽扩散法控制凝胶化进程：

溶胶状态调控：初始分散液pH = 9，确保纤维流动性。

梯度凝胶化：将样品暴露于乙酸蒸汽中，蒸汽由表及里扩散，形成pH梯度（表层pH先降至凝胶点）。

同步磁场锁定：在凝胶化过程中施加定向磁场，纤维取向被“冻结”于凝胶网络中（图3）。

图3. 乙酸蒸汽诱导的梯度凝胶化与磁场协同固定纤维排列。

三、光学编码与加密应用

通过分步凝胶化与磁场编程，M-TOCN基水凝胶能化身“光学画布”，实现三种功能性应用场景：

1. 角度依赖性光学图案

将模具覆盖在凝胶表面，分区域施加不同方向的磁场，可制备角度敏感图案。例如交通标志在车辆靠近时逐渐变亮，通过亮度变化提示距离（图4）。

图4. 观察角度改变时，图案亮度动态变化。

2. 多层结构信息编码

利用乙酸扩散的时空梯度特性，逐层固化不同取向的纤维，形成明暗条纹组成的“条形码”。通过二进制编码（亮区=1，暗区=0），可将文本信息（如“NFU”“UBC”）转换为光学信号（图5）。

图5. 分层凝胶化编码的二进制条纹及其信息解码。

3. 偏光加密技术

在凝胶中嵌入多组不同排列方向的纤维层，只有用特定角度的偏光片观察时，才能读取隐藏信息。例如45°角显示“NFU”（南京林业大学），-45°角显示“UBC”（英属哥伦比亚大学），其他角度则显示干扰码（图6）。这种“光学密码锁”在防伪领域潜力巨大。

图6. 多取向纤维层的偏振响应与加密信息提取。

四、未来展望：从实验室走向生活

这项技术为智能材料开辟了新方向：

动态显示：可制作低能耗的磁性显示屏或智能车窗。

信息存储：结合多重加密的光学标签，可用于药品或奢侈品认证。

生物医学：结合生物相容性，或用于光学传感伤口愈合监测。

结语

通过整合纳米纤维素的仿生特性与磁场响应机制，本研究实现了微观结构的动态调控与光学功能的精准设计。这一突破不仅深化了对结构色材料的理解，也为智能材料的多功能化开辟了新路径。正如论文通讯作者之一Orlando J. Rojas教授所言：“我们正将自然的结构智慧与人工的精准控制相结合，让材料真正‘活’起来。”或许不久的将来，你的手机屏幕、银行卡甚至创可贴，都会用上这种“会跳舞”的纳米纤维素凝胶。

从蝴蝶翅膀到实验室的磁控凝胶，科学再次证明：最精妙的技术往往源于对自然的观察与模仿。纳米纤维素与磁场的这场“光影之舞”，不仅展示了材料科学的魅力，更让我们看到未来智能世界的无限可能。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18542