随着高精度印刷、光谱复制与图像重建等技术的发展，传统依赖静态图案、单一荧光或单一光致变色信号的防伪加密材料，正面临被高精度仿制的严峻挑战。如何让防伪系统“动起来”，在时间和空间两个维度上同时呈现加密信息，成为科研人员攻关的热点。然而，直接混合光致变色和荧光种材料往往会产生“内滤效应”和能量转移，导致荧光猝灭或变色性能下降。此外，光致变色分子在变色过程中需要发生开环/闭环结构变化，但在固态粉末下，容易发生π-π堆积，分子开环/闭环受限，限制了其变色能力。因此，亟需一种更具“结构化”特征的解决方案：不仅要选择合适的分子体系，更要在材料微结构层面实现功能单元的优化设计，从根源上降低串扰风险，并为分子运动提供足够的空间。
近日，长春理工大学董相廷教授和胡曜麟博后在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“DFT-guided design and electrospinning construction of photochromic-fluorescent membrane for spatiotemporally resolved anti-counterfeiting encryption and smart sensing”。该研究采用“理论计算指导结构设计”的策略：首先通过密度泛函理论（DFT）解析光致变色分子的电子结构与反应活性特征，进而利用并行电纺技术构筑Janus纳米纤维膜，在同一根纤维上实现了光致变色分子（SPO）与稀土发光材料（EuTp）的微观限域与多功能集成。这种“Janus分区”策略的关键在于：空间上隔离两种组分，避免内滤效应与功能串扰；Janus纳米纤维为SPO分子提供了充足的异构化自由体积，恢复了其动态响应能力。Janus纳米纤维膜不仅表现出优异的荧光和光致变色性能，还对光和热具有多重响应特性，为实现时空分辨防伪加密和智能传感提供了新平台。
图1：Janus:纳米纤维膜与共混纤维膜的电纺制备过程及应用示意图
图2：Janus纳米纤维膜与共混纤维膜的微观形貌对比
扫描电镜照片可以看出，Janus纳米纤维由两根纳米纤维紧密结合而成（直径约597 nm）（图2a）。EDS线扫证实Eu元素仅分布在Janus纤维的单侧，荧光显微镜下可见Janus纳米纤维一侧发红色荧光、另一侧在紫外照射后由灰变紫，表明成功构建了双功能分区的Janus纳米纤维。Janus膜具有更高的比表面积（60.58 m2/g）和透气性（244.1 mm/s）。
图3：密度泛函理论计算揭示SPO的光致变色机理
如图3所示，利用DFT分析了SPO的HOMO/LUMO分布与跃迁特征，揭示光照诱导开环后电子结构的变化。计算结果显示开环态带隙明显变窄，电荷转移能力增强，从分子尺度解释了“吸收增强-显色加深”的实验现象。利用Fukui函数对反应活性位点进行预测，进一步从反应性角度理解结构转化的可能路径，为后续材料设计提供了“可计算、可验证”的机理支撑。
图4：Janus纳米纤维膜的动态光致变色性能与可逆循环稳定性
紫外照射40秒内，膜的颜色逐渐加深至饱和（白→紫），L*a*b*色度坐标发生相应偏移；褪色过程在55 °C加热下仅需30秒，暗处需20分钟；经80次变色-恢复循环后，K/S值未见明显衰减，表现出良好的抗疲劳性能（图4）。
图5：Janus膜的荧光特性及其在非接触式温度传感中的应用
在367 nm紫外激发下，膜呈现Eu3+的特征红光发射，随着温度从298 K升至368 K，荧光强度逐渐下降，可用于非接触式精准测温（图5）。
图6：时空分辨防伪加密系统的多维度信息演示
基于Janus纳米纤维膜的光致变色与荧光双功能特性，研究团队开发了时空分辨防伪加密系统。信息可在紫外激发时以荧光形式快速显现，停止刺激后以变色状态呈现并随时间衰减，实现了“显示-隐藏-自擦除”的时间程序化控制（图6）。通过精确控制光照条件和时间，同一组图案（三叶草、太极图）可呈现不同信息状态；数字信息可依次转化为干扰信息，最终解密为真实信息；二进制编码在紫外照射下可解码出对应字母，实现了“时间”和“空间”双重维度的信息加密。
图7：可编程逻辑加密系统的“一对多”输入输出映射
如图7所示，进一步将UV、可见光、加热、暗处等刺激条件作为输入信号组合，构建可编程逻辑解密路径，提高破解难度。材料由此不仅是“发光/变色样品”，而更接近一个可设计规则的“信息载体”。以四种刺激作为输入钥匙，通过24种不同的序列组合，可解密出不同的输出信息（空白、“newspaper”或“paper”），极大提升了信息加密的复杂度和安全性。
图8：基于Janus纳米纤维膜的光控可逆信息存储与防伪演示
如图8所示，通过掩模板控制紫外照射区域，可在膜上写入二维码、图案和文字等信息。紫外光下显示红色荧光信息，停止紫外照射后呈现紫色光致变色信息，实现了“瞬态荧光+动态光致变色”的可逆信息存储与防伪。
长春理工大学化学与环境工程学院博士后胡曜麟为该项研究成果的第一作者。该工作提出的“DFT理论指导+Janus结构设计”策略，有效解决了光致变色与荧光材料复合时的功能串扰难题，成功制备出集动态变色、静态荧光、温度传感、紫外监测于一体的智能Janus纳米纤维膜。该工作不仅为高性能光响应材料的设计与构筑提供了新思路，也为智能防伪、可穿戴传感器件等领域提供了新材料。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2026.140092
人物简介：
董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院教授，博士，博士生导师。获享受国务院政府特殊津贴专家、吉林省第一层次拔尖创新人才、吉林省高级专家和吉林省B类人才等荣誉称号。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项和吉林省自然科学学术成果奖一等奖2项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Matter, Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., Renew. Energ., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇，D指数44 (Research. Com)；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。
