Adv. Photon. | 水溶性超表面，集防伪、传感、环境友好性于一身

Advanced Photonics 2026年第1期文章：

Hyunjung Kang, Hongyoon Kim, Junsuk Rho, Water-soluble metasurface labels for environmentally sustainable humidity monitoring, origin authentication, and anticounterfeit packaging, Adv. Photon. 8(1): 016007 (2026). 

随着现代工业飞速发展，产品包装上的防伪标签成为鉴别货物真假及产地来源的关键判据。作为鉴别货物是否为赝品的“关键防线”，防伪标签技术正面临可溯源及环境友好的双重刚需。传统油墨印刷式防伪标签（例如包装上常见的二维码及条形码等），既面临着反复制及篡改技术难度较大的问题，又存在材料制造流程复杂、在自然环境中难以降解的问题。随着微纳加工技术的不断进步，基于超构表面的全息成像技术，为防伪标签带来了光学技术层面的升级可能；但传统超表面防伪器件制备成本高，难以实现量产，这也限制其在工业生产中的大规模应用。

面对上述技术挑战，韩国浦项科技大学Junsuk Rho教授团队从水溶性材料入手，深入探索了可降解型防伪用超表面的研制策略。具体而言，该团队选择以水溶性羟丙基纤维素(HPC) 及二氧化钛 (TiO₂) 为基材，制备出足量的纳米复合原材料，并通过纳米压印光刻工艺，来实现大规模、低成本的超表面制备。同时，该团队还创新性地引入了“超晶胞 (Supercell)”策略，使得所制备出的超构表面既能够具备鲜艳的结构色，又能够在特定波长光束照射下投射出全息图像。此外，该结构还会在湿度过大时发生不可逆破坏，从而能够对产品存储及运输过程中的高湿度条件呈现直观提示。该工作以“Water-soluble metasurface labels for environmentally sustainable humidity monitoring, origin authentication, and anticounterfeit packaging”为题，发表于Advanced Photonics  2026年第1期。

图1 水溶性纳米复合材料表征：(a) 基于该材料二维码标签防伪及环保原理图；(b) 对不同波段下，二氧化钛颗粒质量分数占比75%的复合材料折射率测试结果；(c) 纳米复合材料薄膜截面扫描电子显微镜 (SEM) 图片；(d) 对该薄膜散射效应的模拟。

如图1所示，该团队以高分子有机物HPC为组织架构，并通过添加TiO₂的方式增加薄膜整体折射率，以形成超表面的制备基材。需要说明的是，该工作中所使用的TiO₂颗粒，通过了美国食品药品监督管理局(FDA) 的认证，可以用于食品及医药。该复合基材在370~670 nm的紫外-可见光波段，具有约1.9的折射率，消光系数则接近0。通过理论仿真得知：TiO₂纳米颗粒在质量分数占比75%的条件下，仍然能够具有较分散的状态，并未出现明显的团聚，光散射作用几乎可以忽略，可以作为超原子发挥调制作用。

图2 超表面标签的设计思路及光学特性表征：(a) 超晶胞旋转法示意：具有超周期 (SP) 的元原子阵列，整体旋转θ角度；(b) 所设计元原子示意图；(c) 元原子电、磁场分布仿真；(d) 不同位置反射光谱计算结果；(f) 计算(e)中黄框圈出元原子的转换效率及结构色；(g) 红、绿、蓝优化的元原子实测及仿真反射光谱；(h) 绿色优化元原子在不同旋转角下的转换效率；(i) 红、绿、蓝优化的元原子在不同旋转角范围下的转换效率；(j) 不同超晶胞尺寸下绿色优化元原子的反射光谱。

如图2所示，该团队在超表面设计时引入了超晶胞旋转方法，将几何相位调控与共振颜色生成解耦，使得超构表面标签能够在具备鲜艳明亮结构色的同时，具备高分辨率全息图像生成能力。而在对元原子几何参数的优化后，该标签能够在375 nm（紫外光）、450 nm（蓝光）、532 nm（绿光）及635 nm（红光）波段下实现高效全息转换；且该标签能够在0~60°、较宽的入射角度范围内，保持稳定的颜色响应，这也为实际应用奠定了物质基础。

相较于传统超表面制造时所需的复杂工艺，该团队引入了纳米压印光刻(NIL) 技术，极大地简化了超构表面防伪标签的制备难度、降低了生产成本，同时也实现了规模化的生产，具体的生产过程如图3所示。具体地，该团队先通过电子束光刻技术获得硅基母模，再基于PDMS材料制作可重复使用的软模，将前一步所得到的HPC-TiO₂的纳米复合材料旋涂于软模中，在环境温度设定为70℃、环境气压设定为2 bar的条件下，将其压印至目标基底，待干燥脱模后，即可得到超构表面标签结构，无需引入额外的刻蚀及沉积步骤。基于上述操作流程，该工艺最终能够实现厘米级的图案压印，并且兼容玻璃、柔性PET以及曲面瓶体等多种现实中常见的包装基底，突破了制约超表面防伪标签产业化的瓶颈。

图3 基于NIL技术所制备的全息彩色标签：(a) 用于制备全息彩色防伪超构表面标签的NIL流程示意图；(b) 已制成硅基模具的SEM图；(c) 软模具SEM图；(d) 压印得到超构表面标签表面SEM图；(e) 所制备超构表面二维码显微镜实拍图（含有三幅紫外全息图）；(f)-(h) 对应三处全息图案处实测图像；(i) 基于二维码标签中所编码全息图进行密码验证的流程认证示意图。 

通过将超表面标签设计成二维码的形状，该团队成功实现了光学防伪、湿度监测以及水溶性降解等三大优势特性的集成，如图4所示，该团队在弯曲的瓶体及塑料薄膜表面印刷了该防伪标签，验证了该设计对于食品、药品及高端消费品包装的适配性。团队还在二维码的定位区域（二维码中绘有正方形图案的三个角上）嵌入了三个完全不同的紫外全息图案，并分别编码了不同的字符，如果想要获得完整的编码信息，需对三者分别成像，加大了不法分子伪造标签的难度；此外，得益于HPC材料的亲水特性，该标签在湿度监测方面也展现出了较好的响应表现——当环境湿度高于80%，该标签的物理结构便会发生变化，12小时后纳米结构会发生不可逆的坍塌，结构色褪色，全息图失效，二维码无法再次识别；当出现此情况后，商家及顾客能够较为直观地获得货物曾出现过受潮的信息。

图4 全息彩色超表面标签环境友好及光学防伪特性表征：(a) 标签水溶性证明图；(b) 全彩结构色二维码的显微镜观测图；(c) 在弯曲玻璃瓶及塑料薄膜上印刷的二维码；(d)-(e) 图 (c) 所示二维码暴露在24%湿度及80%湿度下12小时后的SEM图；(f)-(h) 暴露在24%湿度下12小时后所观测到的彩色全息图；(i)-(k) 暴露在80%湿度下12小时后所观测到的彩色全息图；(l) 将该标签用于光学安全检测系统的示意图。

此外，该材料的水溶性也在图4（如上）中得到了证实；据该团队补充材料验证，通过调整纳米复合基材中TiO₂颗粒的质量占比，能够精准调控超表面标签的降解速度，而这种设计同样也可以用在前文所述的湿度监测应用中，使得该标签设计能够更灵活地适配于不同的应用场景。

本文所介绍的研究工作，首次将水溶性纳米复合材料与纳米压印技术有机结合，成功设计出兼具低成本、可规模化、光学防伪、湿度传感以及环境友好特性的多功能超表面防伪标签，实现了对传统油墨印刷的完美替代。本文所介绍的这款新型防伪标签，不仅将为食品、药品及奢侈品等产品包装的防伪设计，提供颠覆性的技术方案，还将通过自身结构坍缩变化，动态反映货物运输过程中的湿度条件，确保物品没有经过受潮等不利环境条件，保障了产品的品质。这项工作为下一代环境友好型光学防伪及智能标签技术开辟了全新的技术路径，将有望在环保包装、智能物流以及产品溯源等领域产生广阔的应用前景。

科学编辑 | 佚名

编辑 | 徐睿