聚合物薄膜表面起皱是一种常见而又迷人的现象，其源于膜系统的机械不稳定性，旨在使系统总能量最小化。然而，由于缺乏定向力的引导，薄膜表面自发生成的褶皱结构往往随机且不规则，严重制约了其实际应用。因此，如何在聚合物薄膜表面大面积、可控地制备高度有序的褶皱结构，并实现其多功能化应用，仍是聚合物界面科学领域的重大挑战之一。

  近日，广东工业大学轻工化工学院陈旭东教授、汪成教授、钟世龙副教授团队在《Advanced Materials》上发表论文，利用聚合物基褶皱结构在厘米尺度上实现具有双通道、四通道及八通道角度可切换独立衍射图像。该工作是钟世龙副教授等前期于Nature旗下期刊《Nature Communications》上所发表论文的深入研究，本文将对这两项成果进行详细介绍。

1. 用于光学加密及集成线路载板的褶皱结构设计

  聚合物薄膜表面起皱源自材料力学失稳，天然存在于生活各处，但自然褶皱杂乱无章，无法用于精密器件。此外，传统光刻、电子束加工、印刷等工艺制备的微图案与基底力学性能差异显著，长期使用易变形、翘曲甚至脱落，同时人工褶皱普遍存在应力松弛缺陷，极大限制实际应用。长久以来，如何在高分子薄膜上大面积、高精度、可重复制备有序可控褶皱，并挖掘多功能落地场景，是高分子界面、柔性电子、光学防伪领域亟待突破的核心难题。

  针对该问题，研究团队另辟蹊径，独创光致物理交联+溶剂扩散协同调控褶皱策略，实现图案与基底为同源材料，从根源解决应力松弛、脱层缺陷。完成了在光敏聚酰亚胺薄膜上制备大面积均匀有序褶皱，同步实现高容量光学防伪加密与超高密度柔性集成电路载板两大应用。

  2026年7月4日，相关成果以题为“Designed wrinkles for optical encryption and ?exible integrated circuit carrier board”发表于《Nature Communications》。

  依托这套独创褶皱调控策略，研究团队在同一块聚酰亚胺薄膜的同一区域首次实现了8组可切换加密图像的存储与隐匿，无需专业设备，仅凭肉眼就能完成信息读取，且多幅图像之间完全无信号串扰，为高安全等级光学防伪提供了全新材料方案；与此同时，该褶皱聚酰亚胺薄膜还可直接充当基底，通过无蚀刻全加成工艺制备高精度铜导电线路，由此制备的柔性集成电路载板，铜线布线密度相较目前行业商用顶尖工艺提升400%，全部性能指标均达到工业化量产要求。

图1.1 光敏聚酰亚胺薄膜表面周期性褶皱结构的可控形成

  图1.1完整展示了从光敏聚酰胺酸（PAA）前驱液到定型褶皱聚酰亚胺薄膜的整套制备逻辑与微观动态变化。通过先合成带有1,4-二氢吡啶侧链的光敏二胺单体，并与多种二酐、二胺单体共聚得到PAA溶液，借助405nm紫外光刻在薄膜表面直写2 μm宽微线条，曝光区域发生光化学反应形成氢键与静电交联，局部体积收缩形成凹陷结构；将薄膜浸入含氯化钯的乙醇溶液后，乙醇会萃取薄膜内部残留的N,N-二甲基甲酰胺（DMAc）溶剂，未曝光区域无交联阻挡，溶剂流失速度更快、收缩程度更强，牵引高分子链向曝光区域移动，原本的凹陷反向隆起为规整周期性脊状褶皱，氯化钯还能和薄膜吡啶环配位，进一步拉大区域渗透压，提升褶皱起伏幅度；原位AFM实时观测乙醇蒸汽环境下薄膜的形貌变化，清晰记录60 nm深凹陷从中心逐步生长为稳定褶皱的完整动态过程，最后经过300℃高温热亚胺化处理，褶皱形貌永久固定，彻底规避应力松弛失效问题，整套示意图、不同工艺阶段形貌对比、原位动态观测图像结合在一起，完整证实了溶剂定向扩散驱动有序褶皱生成的核心机理。

图1.2 不同工艺阶段起皱聚酰亚胺薄膜的形貌、模量分布、红外光谱及溶剂稳定性表征

  图1.2从力学性能、化学组分、极端环境耐受性三个维度全方位验证褶皱薄膜的综合优势。分别采集光刻曝光后、氯化钯乙醇显影后、200 ℃热处理、300 ℃完全亚胺化四个关键工艺节点的AFM形貌。同步统计曝光区、未曝光区的杨氏模量分布曲线，高温固化后两处区域模量数值完全统一，搭配微红外化学扫描映射图可直观看到整片薄膜化学组分无差异，证明褶皱图案与基底属于同源材料，从根源解决传统异质微结构脱层、翘曲的通病；为测试薄膜耐用性，将样品长时间浸泡在1 mol/L强酸、1 mol/L强碱、DMF有机溶剂、沸水等严苛环境中，褶皱周期、起伏幅度均无明显改变，正交交叉褶皱的边缘轮廓也保持完整；团队还在4英寸硅片上完成晶圆级大面积制备，选取薄膜中心、边角多处点位检测，褶皱尺寸均匀无偏差，充分证明这套褶皱制备工艺稳定、可规模化量产，同时薄膜本身具备极强耐化学腐蚀能力，适配各类复杂使用场景。

图1.3基于聚酰亚胺褶皱结构方位角调控下的反射光谱实现4图像切换加密

  图1.3阐释了聚酰亚胺褶皱薄膜实现多通道光学加密的物理原理并直观展示防伪效果。周期性褶皱本质是天然衍射光栅，其光学响应高度依赖样品旋转方位角φ，光路示意图清晰标注入射角、衍射观测角与样品旋转角度的空间关系，反射光谱热力图直观体现衍射光强随旋转角度的变化规律：样品旋转角度差小于6°时图案清晰可见，旋转角度超过12°衍射信号完全消失，隐藏图案肉眼不可见；基于这一特性，180°旋转区间内可划分出4个互不干扰的独立观测窗口，单块薄膜能存储8套无串扰切换的独立图像，实物光学照片呈现薄膜分别旋转0°、45°、90°、135°时显现完全不同的条纹图案，对比现有轨道角动量全息技术最多仅4幅图像且存在信号串扰的短板，该褶皱防伪体系信息容量、安全等级大幅提升，全程无需专业检测仪器，仅靠肉眼旋转薄膜即可读取隐藏加密信息，可广泛用于奢侈品防伪、证件加密、芯片标识防护等领域。

图1.4基于聚酰亚胺褶皱结构实现可用于IC载板的高精细覆铜线路制备

  图1.4展示以聚酰亚胺褶皱结构为基底制备的高密度柔性铜线路形貌、尺寸参数与长期工作可靠性。进一步通过分子调控将薄膜热膨胀系数调整至与金属铜完全匹配，依托光刻定点活化位点，采用无光刻胶、无粘接层的全加成化学镀铜工艺成型导电线路，光学显微镜与三维AFM图像清晰呈现厘米尺度下铜线连续均匀、边缘锐利，截面轮廓精准标注铜线宽13 μm、线间距17 μm，布线密度相比行业现有商用标准提升400%；行业传统IC载板多采用减法蚀刻工艺，铜材损耗大、依赖粘接胶易高温脱铜，本方案完美规避该缺陷，胶带附着力测试达到最高5B等级，经过0.5 mm极小曲率半径千次弯折、3%循环拉伸后线路电阻无波动；完整组装闭合电路点亮发光器件，持续通电30分钟的红外热成像图显示线路温升极低，无明显发热，薄膜介电常数3.3也符合芯片封装基材标准，线路各项性能全部满足工业化量产要求，为高端柔性电路板、芯片封装载板提供全新低成本制造方案。

  总结：该研究首创光致物理交联+溶剂扩散协同起皱工艺，褶皱图案与基底为同源高分子，根除传统微结构应力松弛、脱落问题，薄膜耐各类严苛化学、高温环境，可实现4英寸晶圆大面积均一制备。褶皱光栅具备角度敏感衍射特性，单膜可承载8组无串扰裸眼可读图像，防伪性能优于现有技术。该聚酰亚胺基底热膨胀系数与铜匹配，无胶全加成制得布线密度提升4倍的铜线路，各项指标符合商用柔性IC载板标准。工艺依托通用光刻、化学镀设备，无需定制产线，产业化落地门槛低。广东工业大学钟世龙副教授、中山大学朱照祥博士后与解放军66018部队霍启正助理工程师为共同第一作者；中山大学/广东工业大学陈旭东教授、中山大学陈钰杰教授及郑治坤教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52303370、51833011、52350233）和国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3812400）的资助。

  论文信息

  论文题目：Designed wrinkles for optical encryption and ?exible integrated circuit carrier board

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50069-7

2. 聚氨酯薄膜屈曲诱导角度可切换衍射图像用于光学加密与防伪

  在高端商品防伪、证件认证和信息安全存储等场景中，光学防伪标签因其色彩鲜明、响应速度快、难以直接复制而受到广泛关注。然而，传统衍射防伪标签大多依赖单一微纳结构或单一显示通道，信息容量有限；一旦结构设计规律被掌握，仍存在被仿制和破解的风险。同时，标签在高温、高湿或复杂基底环境下的结构稳定性，也直接决定了其能否真正投入实际应用。构建具有多角度响应、多图像独立切换和高环境稳定性的聚合物基衍射防伪体系，是提升光学防伪安全性的关键方向。

  为解决以上问题，2026年7月17日，广东工业大学陈旭东教授、汪成教授、钟世龙副教授团队继续深化研究，基于独创的聚合物薄膜可控起皱技术在《Advanced Materials》上发表题为“Buckling-Induced Angular-Switchable Diffraction Images on Polyurethane Film for Optical Encryption and Anti-Counterfeiting”的研究论文。

  该工作面向高安全等级衍射防伪标签（DALs）在信息容量、通道独立性和环境稳定性方面的瓶颈，提出了一种基于光敏聚氨酯（Pho-PU）薄膜表面可控屈曲结构的角度复用光学加密策略，极大提升了该技术在光学加密与防伪领域的应用实用性。

  研究团队通过分子结构设计、光诱导应力调控和溶剂显影放大，在透明聚氨酯薄膜表面构筑了高度有序的周期性微纳屈曲结构；进一步利用该结构的一阶衍射对方位角高度敏感的特性，将不同取向的光栅单元作为独立光学通道，实现了双通道、四通道以及八通道角度可切换独立衍射图像。该策略将公共图像信息与角度密钥、微结构取向和复用像素编码相结合，为聚合物基高容量光学防伪提供了新的实现路径。

图2.1 Pho-PU薄膜表面周期性屈曲结构的构筑及其角度依赖结构色

  图2.1展示了Pho-PU薄膜表面周期性屈曲结构的构筑过程。在365 nm紫外光选择性照射后，受光区域中的1,4-二氢吡啶结构转化为2,6-二甲基吡啶结构，并与Pho-PU主链中的仲胺基团形成分子间或分子内氢键。当局域相互作用引起的内应力超过薄膜表面失稳阈值时，薄膜发生初始屈曲变形。随后，乙腈显影促进残余溶剂扩散，使初始纳米级起伏进一步放大，最终形成周期可控、取向可设计的表面浮雕光栅。该光栅角度依赖性衍射产生的结构色，可实现信息隐藏与读取。

图2.2 Pho-PU薄膜屈曲结构的形貌调控：显影时间、曝光时间、烘烤时间与分子链结构的影响

  图2.2揭示了Pho-PU薄膜屈曲结构的形貌调控规律。为了实现可重复、可大面积制备的光学编码，研究进一步系统考察了屈曲结构的形貌调控规律。实验表明，曝光时间通过调控光诱导氢键网络的交联密度，影响曝光区与未曝光区之间的应力梯度。曝光不足时，内应力不足以驱动明显屈曲；曝光过度时，过高的交联密度限制链段运动，反而抑制振幅增长。残余溶剂含量同样关键：适量溶剂起塑化作用，有助于形成稳定起伏；过多则加速应力松弛，过少则抑制链段运动，均不利于形貌调控。在优化条件下，Pho?PU薄膜可形成振幅约132 nm的稳定屈曲结构。此外，分子链柔性具有双重效应：柔性链段促进迁移，但也易导致应力松弛；而适中刚性的骨架有助于兼顾链段运动与形貌保持。基于上述规律，团队在Pho?PU薄膜上构筑了多种高分辨衍射图案，显微表征显示形貌保真度达亚微米级，为多通道光学复用奠定了工艺基础。

图2.3 周期性屈曲结构的角度依赖衍射行为及双通道图像加密示范

  图2.3展示了Pho-PU薄膜表面实现可切换加密图像的光学原理。周期性微纳屈曲结构的光学响应为多通道加密提供了物理基础。研究表明，Pho-PU表面光栅的光场能量主要分布于零级衍射和一阶衍射，其中一阶衍射表现出显著的角度选择性。当探测器接收一阶衍射光时，随着衍射角β增大，衍射强度逐渐降低，同时衍射峰发生红移。更重要的是，光栅在面内的方位角φ可显著改变一阶衍射光的空间分布。实验表明，当样品方位角旋转至约12°时，一阶衍射信号趋于消失。这意味着不同取向的光栅对应不同的角度读取窗口，从而天然形成相互独立的光学通道。基于这一机制，研究团队首先展示了双通道角度切换加密图像：通过将不同汉字图案写入正交或具有特定取向差异的屈曲光栅中，只有在连续旋转薄膜并匹配相应观察角度时，隐藏信息方可被完整读取。该结果验证了“结构取向—衍射方向—图像通道”之间的映射关系。

图2.4 四通道角度可切换独立衍射图像的复用像素设计与示范

  在双通道验证基础上，研究进一步构建了四通道几何相位屈曲衍射体系（图2.4）。其核心设计是将单个复用像素划分为四个子像素光栅单元，各子像素分别采用0°、45°、90°和135°四个取向方向（φ_m = 45° × (m-1)），每个方向对应一个独立衍射通道，用于承载一幅目标图像。在该编码框架下，“中”“山”“大”“学”四幅汉字图像被分别写入四组不同取向的屈曲光栅中。通过旋转样品，四幅图像可在不同角度下依次呈现。

图5 八通道角度可切换衍射防伪标签及其在不同基底上的适用性

  在四通道基础上，研究进一步将角度复用扩展至八通道（图2.5）。传统取向隔离策略下，若需约24°的通道间隔以抑制串扰，平面内可用的独立通道数将受到限制。为突破这一瓶颈，团队设计了间隔为22.5°的八组方向敏感光栅阵列，将每组阵列切分为等腰直角三角形子单元后进行重构，以最大化相邻通道间的空间隔离。在编码层面，该体系建立了包含256种组合模式的编码库，并结合角度可切换衍射图像处理系统的密钥参数表，优化选取七类特征复用像素，实现了八幅独立衍射图像的高安全重构。论文报道，在缺少正确密钥时，随机猜测的误识别率下限达99.04%；八幅衍射图像的信噪比均大于30，对比度均超过1，满足ISO/IEC 15415条码质量标准Grade C要求。显微与AFM表征进一步表明，八通道体系所用的复用像素具有清晰的二维屈曲拓扑，周期约为3 μm，典型像素核心区域保持良好结构有序性。其中，A_10345678像素的二维屈曲结构均方根粗糙度低于7 nm，界面分辨率稳定在1.5 μm，显示出应力可控分布策略在复杂二维结构制备中的精度优势。除多通道加密能力外，该工作还考察了防伪标签在真实场景中的适用性。研究表明，该类DALs可贴附于玻璃、陶瓷、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）及金属等多种基底，在不同表面粗糙度条件下均可保持可识别的单通道与可切换衍射图像。稳定性方面，屈曲结构在85°C、85%相对湿度条件下仍表现出良好的尺寸稳定性、重复性、机械耐久性和光学性能，能够有效防止标签形变导致的验证功能失效。上述特性对于高价值商品认证、耐候防伪标签及长期光学信息存储具有重要意义。

  总结：该研究将聚氨酯材料的可加工性、光敏单元的应力响应特性、微纳屈曲结构的衍射特性以及角度复用编码策略有机融合，构建了从材料设计到多通道光学加密器件的完整技术链条。相较于依赖单一结构色或单通道衍射的常规防伪方案，该方法在信息容量、通道独立性、抗仿制能力及环境适应性等方面均展现出明显优势，为高性能光学防伪标签的构建提供了可行路径。广东工业大学钟世龙副教授、硕士生朱永健与梁伟恩为共同第一作者；广东工业大学陈旭东教授、钟世龙副教授，以及中山大学朱照祥博士后为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52303370、52350233）和国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3812400）的资助。

  论文信息

  论文题目：Buckling-Induced Angular-Switchable Diffraction Images on Polyurethane Film for Optical Encryption and Anti-Counterfeiting

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74145

作者简介：

  钟世龙副教授长期致力于光敏聚合物材料的合成、性能调控及功能化应用研究。在陈旭东教授中山大学/广东工业大学团队学习及工作期间，聚焦光敏聚酰亚胺/聚氨酯分子合成、表面微结构可控制备等方向，在光学加密与高精细覆铜线路构建领域开展了系统性研究工作。当前主持一项国家自然科学基金青年项目“光敏聚合物薄膜表面微纳结构的光控制备、光学特性与加密应用”（批准号：52303370；执行年限：2024年01月-2026年12月）与一项国家重点研发项目“先进防伪技术用聚合物光学加密材料研制”（批准号2023YFB3812400；执行年限：2023年11月-2026年10月）子课题“新型光敏单体及光敏聚合物结构设计与合成关键技术”（课题号2023YFB3812401）。在该两项基金的资助下，以第一作者/通讯发表相关SCI论文20余篇，申请相关中国发明专利50余件，其中已授权专利30余件，核心成果包括：(1)开发新型光敏性单体制备技术，奠定光敏聚合物合成基础(Chinese J. Polym. Sci.,2022,40, 1287-1296；Chinese J. Polym. Sci. 2024, 42, 1038-1048；Chem. Eur. J. 2023, e202301074；ZL202010354814.0；ZL202010354359.4；ZL02210953216.4；ZL202210928217.3；ZL202210976352.5等)；(2)创新聚合物膜表面微结构加工方法，实现微结构的精准调控(Chem. Eng. J., 2024, 497, 154589；ACS Appl. Mater. Interface, 2024, 16, 43006-43015；Mater. Today Chem. 2025, 47, 102892;ZL202010354368.3；ZL202010351794.1；ZL202110971016.7；ZL202010354432.8等)；(3)完成聚合物薄膜表面微结构在高端光学防伪及高精细覆铜线路方面的应用(Nat. Commun. 2024, 15, 5616；Adv. Mater. 2026; 0:e74145；Chem. Eng. J. 2025, 520, 166339; Sci. China Mater. 2026, DOI: 10.1007/s40843-025-4274-x;Polymer 2026, 361, 130474; Acta Polym. Sin. 2025, 50, 339-363; ZL202511046414.2; ZL202511164508.X; ZL202411491625.2; ZL202511138824.X; ZL202511092848.6; ZL202511135802.8; ZL202510110007.7等)。上述成果系统贯通了“单体合成-微结构加工-光学加密及金属线路精细化应用”技术链条。

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