通过三维元结构实现可时序编程的着色用于光学加密

会思考的时间之色

想象一种秘密信息，不仅会按精确的颜色序列随时间显现，而且随后会物理性自我销毁，永远无法再次读取。本文报道了一种恰好能实现这一点的新方法，利用微小的三维打印结构来控制光线。这项工作指向未来的安全标签、防伪标识和难以被攻破、对量子计算机具有弹性的“阅后即焚”数据存储系统，而不需要化学品或电子设备。

为什么基于光的秘密重要

当今大多数加密依赖在电子芯片上运行的数学算法，随着量子计算机的发展，这些算法可能会变得脆弱。光学加密走的是另一条路：它将信息隐藏在光的物理行为中。这里，作者用布置在玻璃上的微观柱状体构建系统。这些“元结构”产生颜色不是依靠染料或颜料，而是通过弯折、散射和与光发生共振的方式。因为这是物理效应而非纯数学问题，破解它需要复制复杂的材料和纳米结构，而不仅仅是求解方程。

在三维中打印完整的色板

研究团队使用飞秒激光三维打印——一种能雕刻出小于光波长特征的技术——制造出高、径、间距可精确控制的聚合物纳米柱“森林”。通过系统地改变这些参数，他们创建了一个大型“颜色调色板”，其中每个微小区域在白光下透射出特定颜色，覆盖可见光谱的宽广色域。他们证明色相主要由柱高和柱宽决定，而亮度由间距调节。与传统染料很快褪色不同，这些结构色极为稳定：其光谱在一年多的时间里几乎无变化，并且抗光漂白。这使得它们非常适合用于持久的标签和记录。

构建智能标签和微型图书馆

由于每个颜色单元可以制造得小于一微米，元结构能在非常小的面积内编码大量信息。作者演示了由许多颜色像素按设计图案排列的防伪标签。经过定制训练的神经网络即便在图像模糊、旋转或部分被污渍遮挡时也能可靠识别真品，使仿制变得困难。他们还构建了结构色条形码和一个微型矩阵，通过将字母和空格映射到颜色与形状组合上，存储了短语“想象力比知识更重要”。该方案已经达到了每平方米数亿比特量级的信息密度，并且随着打印分辨率和设计复杂性的提升还可进一步增长。

会变色、会揭示、会抹去的颜色

该系统最引人注目的特征是颜色可以随时间平滑地重新编程。关键在于元结构对周围环境的折射率非常敏感——本质上就是周围材料弯曲光线的程度。通过用水和甘油的混合物轻微改变这一折射率，来自给定图案的透射颜色可以在彩虹间连续滑动。研究者利用这一点创建了可时序编程的加密：随着液体成分的演化，不同的隐藏单词会在同一物理区域依次显现。最后，随着液体蒸发，邻近柱体之间的毛细力超过它们的机械强度，导致它们弯曲并坍塌。一旦发生这种情况，颜色响应被破坏，信息无法被恢复，即使再次加入液体也无济于事。

从实验室演示到未来的安全装置

通俗地说，作者构建了一种微小的、由光控制的“纸张”，它可以预设为依次显现几条信息，然后在纳米尺度上自我粉碎。因为它只需要少量简单液体、不含电子元件且不使用强烈化学品，所以为环保的一次性安全信息和高端防伪标识提供了一条可行道路。尽管理验目前展示了四个词并在秒到分钟的时间尺度内运行，相同原理可以扩展到更多信息、更快的响应以及对光更丰富的控制。该工作预示着一个未来，在那里我们一些最敏感的信息不再仅由密码和代码保护，而是由精心设计的光与物质物理机制来守护。

引用: Zhao, MZ., Hu, ZY., Tao, YH. et al. Time-programmable coloration via 3D metastructures for optical encryption. Light Sci Appl 15, 118 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02202-y

关键词: 光学加密, 结构色, 超表面, 防伪, 三维纳米打印