2025诺贝尔化学奖颁发后，这些领域坐不住了

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撰文 | 王怡博

审校 | 二七

日本化学家北川进（Susumu Kitagawa）、英国-澳大利亚化学家理查德·罗布森（Richard Robson）和美国化学家奥马尔·M.亚吉（Omar M. Yaghi）因在开发金属有机框架（MOF）方面的奠基性工作，荣获2025年诺贝尔化学奖。这不仅是一类新材料，更是一种缔造分子的全新方式，让化学家得以在分子尺度上建起一座又一座摩天大厦。

这很快便引起了广泛讨论，其中特别有趣的讨论是：MOF得了诺奖后，接下来会不会是水凝胶……

说起水凝胶，如今它凭借强大的生物相容性，登上《自然》（Nature）、《科学》（Science）等顶刊已是司空见惯。我们也常常会在日常生活中遇到多种类型的水凝胶，比如纸尿裤的吸水能力就依赖于水凝胶这一高吸水高保水材料。当然，水凝胶不止在生物医药方面出类拔萃，还被多个领域的科学家挖掘出多种功能——除了保水，如今它被发现还能“保密”！

商品造假

根据《自然评论化学》（Nature Reviews Chemistry）2017年发表的一篇综述论文，近些年假冒伪劣产业在全球范围内不断增长，范围从电子产品到奢侈品不等，造成了万亿美元损失，导致每年数千个工作岗位流失。除了经济影响外，商品造假还可能对个人健康与国家安全构成威胁。据估计，全球销售的电子元件中有10%并非正品，其中不仅包括用于个人电脑和汽车的电子元件，甚至涉及用于高科技军事系统的元件。更令人担忧的是，根据世界卫生组织（WHO）的数据，全球约10%的药品和医疗用品是假冒伪劣产品。这一比例在发展中国家甚至更高。在这些地方，大量死亡案例被归因于无效或被稀释的药物。例如，被稀释的抗生素不仅达不到预期治疗效果，还会导致细菌耐药。并且据估计，全球线上销售的药品中高达50%是假冒伪劣产品。

为了防止造假，许多商品包装上都有一个防伪标签，但这些标签通常是依赖于确定性过程生产的可克隆标签，其低复杂性和高可预测性意味着这些标签很容易被造假者复制。因此，开发不可破解的防伪系统至关重要。而利用化学方法防止造假的技术是一个新兴且重要的研究领域。最近，北京理工大学化学与化工学院赵飞教授带领团队开发出一种新型导电水凝胶，实现了几乎不可能被伪造的安全标签。相关研究发表于《先进材料》（Advanced Materials）。

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用水凝胶加密

防伪标签是放置在产品上的物理标记，用于确保身份认证并防止伪造和假冒。这些标签包含独特的标识符，需要与验证系统进行核对以确认产品为正品。为了避免伪造，标识符必须难以或不可能复制。然而，目前实施的标签，如射频识别（RFID）标签、全息图和防伪水印，工作模式依赖明确的输入-输出映射关系，容易遭受攻击，面临潜在的信息泄露风险。物理不可克隆函数（Physical unclonable functions，PUF）标签是解决这一问题的关键，因为它们是通过随机过程产生的独一无二的信号，极难被解密，即便是制造商也无法复制。

在密码学中，密钥是实现安全通信的必要条件。2002年，Ravikanth Pappu等人提出将物理不可克隆函数作为一种物理密钥。当输入一个挑战（c）时，PUF会产生相应的响应（r）。特别的是，这种物理密钥就像一个“黑匣子”，输入和输出之间的映射关系仅存在于PUF内部的物理结构中，完全未知，使得解密或复制变得极其困难。

当时，首款PUF防伪标签采用环氧聚合物基质，内嵌随机分布的玻璃球三维图案，该图案可转化为二进制代码，作为被标记物体的独特“指纹”。此后，多种PUF标签相继出现，通过在基材中分布纳米或微米颗粒或构建随机分形网络等方式形成随机图案，这些图案均可通过肉眼或显微镜进行识别。然而，目前这些系统也面临诸多挑战，包括材料可持续性不足、读取设备复杂、耐用性和可扩展性受限，以及二进制编码方式导致的编码容量偏低等。这会导致PUF防伪标签容易被机器学习预测或攻击，难以兼顾唯一性、不可克隆性与不可预测性等加密技术的三大核心需求。

然而，水凝胶具有独特的、不可复制且不可预测的拓扑结构，这让它成为了PUF的潜在理想材料。于是，研究团队提出了一种叫做“区域组装交联”（Regional Assembly Crosslinking，RAC）的策略，利用掺杂了聚苯乙烯磺酸盐（PSS）的聚吡咯（PPy），构筑出导电域-离子域耦合的三维水凝胶网络。换句话说，新形成的水凝胶由两种聚合物组成：导电聚吡咯与携带带电离子并提供弹性的聚苯乙烯磺酸盐。

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这种新型水凝胶的内部结构是一个复杂的三维矩阵，类似于由微小电阻和电容组成的复杂网络。聚吡咯区域作为电阻，聚苯乙烯磺酸盐区域则像电容一样储存和释放离子电荷。这种独特的拓扑结构赋予了每种凝胶其独特的电气特性，使其成为潜在的加密元素。

抗仿冒能力测试显示，即使攻击者在相同的实验室条件下复制水凝胶，也无法产生相同的响应曲线。统计分析表明，即便是微小的差异也足以拒绝虚假匹配。此外，在抗机器学习预测能力测试中，研究人员使用30万对输入和输出数据训练了三种类型的算法，包括线性回归模型、多层感知机MLP和Transformer模型。结果表明，这些算法都无法以所需的精度重现完整的响应曲线，表明新型水凝胶的非线性特性使得其难以被预测。

更重要的是，基于这种新型水凝胶的单个加密设备生成了10^19对挑战-响应对，远远超过了物理不可克隆函数对强安全性的基本要求——10^10对挑战-响应对。

这种基于水凝胶的PUF防伪标签具有强大的抗复制能力，以及对机器学习的抵抗力。并且该物理标签的主要材料是价格低廉的聚苯乙烯磺酸盐、聚吡咯和常见溶剂，制造过程也简单，因而有望用于实际应用中。事实上，只有PUF这样几乎不可克隆的物理标签才能真正确保奢侈品的真假，从而限制仿冒者模仿及其非法进入价值数十亿美元的行业。

拥有这么多应用潜力的水凝胶能否获得诺奖，你觉得呢？