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原文链接：10.1002/adma.202416121
信息技术的重要性日益增加，这需要先进的信息存储和安全解决方案。虽然通过添加参数扩展传统二维码已产生了有前途的三维码，但增加信息容量和安全性仍然具有挑战性。
本文提出了一种 3D 快速响应 (QR) 立方体平台，该平台利用近红外 (NIR) 到 NIR 上转换纳米粒子作为发光探针，得益于它们的光稳定性和低散射特性。这些特性使得 3D QR 立方体的重建更加精确。该平台利用 3D 环境中的空间信息，利用体积空间进行信息编码，显示出显着增加信息容量和促进从所有三个空间维度 (x、y、z) 访问的潜力，同时增强了安全性。本研究开发了一个使用 NIR 成像分析和重建 3D QR 立方体的平台，并采用卷积神经网络模型根据图像强度变化确定 3D 结构，在预测立方体配置方面实现了 99.9% 的准确率。通过利用三维空间信息和逻辑电路，该加密方法有可能大大超越传统二维代码的加密强度。研究结果证明了其高预测准确率，并为在三维空间中使用空间安全密钥进行多级加密带来了新的可能性，为高级信息存储和安全提供了强大的解决方案。相关研究成果发表于《Adv. Mater.》上。
图文解析
图 1. 3D QR 立方体的设计和特性：A) 3D QR 立方体重建平台的工作流程。B) NaYF4：48%Yb,2%Tm@NaYF4 UCNPs 中上转换过程的能量图。C) UCNPs 的 TEM 图像和尺寸分布。D) 在 980 nm 激发下，核（NaYF4：48%Yb,2%Tm）和核@壳（NaYF4：48%Yb,2%Tm@NaYF4）UCNPs 在 800 nm 处的发射光谱。E) 核@壳 UCNPs 的 XRD 图案，峰值根据纯六边形 NaYF4 结构的标准图案标记。F) 3D QR 立方体制造过程的示意图。G) 3D QR 立方体的尺寸可调能力。 H）UV 到 Vis QD 和 NIR 到 NIR UCNP 之间的散射比较，显示了由于单个发光体素的位置变化而导致的图像变化（左、中、右）以及与包含三个发光体素的配置的比较分析。
图 2. 3D QR 立方体的 NIR 成像和分析：A) 3D QR 立方体组件的示意图。B) 由代表三个体素的所有可能组合的阵列组成的参考立方体。配置包括：完全由空白体素组成的阵列；三个带有一个 UCNP 体素的阵列（位于前部、中部和后部）；三个带有两个 UCNP 体素的阵列（两个都在前部、一个在前部、一个在后部、两个都在后部）；以及一个所有三个体素都是 UCNP 体素的阵列。C) 用于分析 3D QR 立方体的 NIR 成像系统。D) 3D QR 立方体的侧视图和用于 NIR 成像以捕获所有六个面的旋转支架。E) 在 980 nm 激光二极管（1.0 W cm−2）下从 (B) 中参考立方体 #1 的六个面提取参考强度数据。 F) 根据标准偏差定义参考强度范围（白线：平均值；误差线：3 × 标准偏差）。G) 根据以下观察识别发光对 (LP)：尽管它们源自同一阵列，但从正面和相反角度看时看起来不同。
图 3. 数据预处理和 CNN 阵列预测模型：A) 数据预处理中使用的信息示意图。来自阵列的强度和空间信息被预处理为四个通道，用于 CNN 输入。B) 用于训练阵列预测模型的 CNN 架构。C) 模拟立方体阵列类型的分类结果（准确度）和 D) 训练后的 CNN 模型预测的实际立方体。E) CNN 模型与 k-最近邻 (k-NN)、随机森林 (RF) 和深度神经网络 (DNN) 模型的平均预测准确度比较。
图 4. 3D QR 立方体重建的整个工作流程：A) 从捕获的图像中提取未知 3D QR 立方体的强度和空间信息。B) 将提取的信息预处理为四个通道，用于 CNN 模型输入。C) 通过 CNN 阵列预测模型进行阵列体素化。立方体有六个面，可以根据其轴和方向将阵列分成六组，以形成六个立方体。重建立方体中的阵列被分成单独的体素，每个体素都有自己的辉光分数。D) 通过对每个立方体中相同位置的体素的辉光分数进行平均，对来自阵列的每个体素进行整合。E) 整合体素辉光分数的 ROC 曲线，模拟体素的 AUC 为 0.999，实际体素的 AUC 为 1.00。F) 未知立方体的图像及其来自 3D QR 立方体重建模型的重建结构。
图 5. 利用 3D QR 立方体进行信息存储和加密：A、B) 3D QR 立方体和 2D QR 码的信息存储容量比较。(A) 2D QR 码中的像素以二进制读取，因此 3 × 3 2D QR 码的信息存储容量为 23 × 3，如 (B) 所示，以 9 位二进制码 111 101 011 读取。(B) 3D QR 立方体在空间维度中存储附加信息，允许立方体一面的 3 × 3 代码的单个像素包含三个体素的信息。因此，它每个像素存储 3 位信息，对应于三个体素。C–F) 示意图说明使用 3D QR 立方体进行加密和解密的过程。(C) 发送者使用逻辑电路和 BCD 码加密消息“ANB”，并将其编码到 3D QR 立方体中。然后，立方体和解密密钥一起被发送给接收器。接收器 (D) 通过使用密钥 1 中的波长对立方体进行成像来重建立方体，并且 (E) 使用密钥 2 中的坐标确定立方体的结构。 (F) 最后通过读取 BCD 码中的逻辑电路输出来解密消息，利用密钥 3 中提供的逻辑电路输入序列。
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