超分子水凝膠或讓未來“硬盤”變“軟” 讀取數(shù)據(jù)更快捷

將信息碼圖案通過激光雕刻技術(shù)嵌入水凝膠中，借助水凝膠中熒光分子的AIE效應(yīng)，在紫外線照射下，信息碼圖案會(huì)清晰地顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)信息儲(chǔ)存。未來這種水凝膠有望像硬盤一樣存儲(chǔ)大容量信息。

說到儲(chǔ)存信息的載體，大多數(shù)人第一時(shí)間會(huì)想到硬盤。隨著人們要儲(chǔ)存的圖片和視頻越來越多，對(duì)信息儲(chǔ)存材料的存儲(chǔ)容量和成本等也提出了更高的要求。50多年來，硬盤的存儲(chǔ)量從5MB增長(zhǎng)到TB級(jí)，但也不能滿足所有人的需求?，F(xiàn)在，一種新型信息儲(chǔ)存材料——信息碼逐漸進(jìn)入人們的視野，僅幾年時(shí)間，信息碼已從一維碼、二維碼發(fā)展到三維碼，并得到了廣泛應(yīng)用。

記者10月20日從華中科技大學(xué)獲悉，該?；瘜W(xué)與化工學(xué)院教授吉曉帆團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院院士、香港中文大學(xué)(深圳)教授唐本忠團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)出一種能實(shí)現(xiàn)信息大量存儲(chǔ)的超分子水凝膠。吉曉帆告訴記者，該水凝膠作為一種新型信息儲(chǔ)存材料，有望突破信息碼存儲(chǔ)信息單一的瓶頸，可以像硬盤一樣存儲(chǔ)大容量信息。相關(guān)論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。

讀取信息碼數(shù)據(jù)更方便快捷

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)信息儲(chǔ)存的要求也不斷升級(jí)。吉曉帆說，硬盤在1956年剛問世時(shí)僅可儲(chǔ)存5MB的信息量，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其信息存儲(chǔ)量從1973年的30MB，增加到2007年的TB級(jí)，存儲(chǔ)容量可謂突飛猛進(jìn)。“從低存儲(chǔ)量到TB級(jí)高存儲(chǔ)量，硬盤的快速發(fā)展極大促進(jìn)了信息社會(huì)進(jìn)步。”

近年來，以二維碼為代表的信息碼，在商品流通、圖書管理、防偽和保密等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但其往往只能存儲(chǔ)單一信息，不能滿足社會(huì)發(fā)展需求。那么，能不能讓信息碼像硬盤一樣可以存儲(chǔ)大容量信息呢?吉曉帆信心滿滿地告訴記者：“這個(gè)看似遙不可及的想法，正一步步成為現(xiàn)實(shí)。”

目前，根據(jù)圖案類型，信息碼可以分為一維碼、二維碼和三維碼。一維碼也稱為條形碼，它將多個(gè)寬度不等的黑白條紋，按照一定編碼規(guī)則排列(一維方向上)出平行線圖案;二維碼則是用某種特定的幾何圖形，按一定規(guī)律在平面(二維方向上)排列出黑白相間、記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的圖形;彩色三維碼是以傳統(tǒng)黑白二維碼為基礎(chǔ)，加以不同顏色矩陣，構(gòu)成獨(dú)特彩色圖像。

雖然一維碼、二維碼、三維碼原理不同，但本質(zhì)上都是將文字(數(shù)字)圖像化，便于機(jī)器(終端)快速識(shí)別、錄入的一種圖像編碼。

吉曉帆介紹，與傳統(tǒng)信息儲(chǔ)存材料相比，信息碼材料可以相對(duì)直觀地展示，且數(shù)據(jù)讀取更加方便快捷。

“碼中碼”可實(shí)現(xiàn)多層次存儲(chǔ)

為了提高信息代碼的存儲(chǔ)能力，吉曉帆等人設(shè)計(jì)了一種水凝膠。據(jù)吉曉帆團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，要讓水凝膠存儲(chǔ)信息，首先要想方設(shè)法讓水凝膠顯色，從而展示出相應(yīng)的信息圖案。而傳統(tǒng)熒光生色團(tuán)在高聚集狀態(tài)下，熒光會(huì)減弱甚至不發(fā)光，即顯示出聚集熒光猝滅效應(yīng)(ACQ)。

早在2001年，唐本忠院士團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種特殊現(xiàn)象：一些熒光分子在聚集狀態(tài)下反而會(huì)顯示出更加強(qiáng)烈的熒光，并提出這是一種聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)效應(yīng)。隨后，具有AIE效應(yīng)的熒光分子不斷在智能傳感材料、液晶或偏振光材料、高效率的OLED顯示和照明材料、細(xì)胞器成像和長(zhǎng)效追蹤的熒光探針等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。

借助這種熒光分子的優(yōu)良發(fā)光性能，吉曉帆團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了3種不同熒光顏色(紅色、黃色、藍(lán)色)的AIE超分子水凝膠。通過凝膠界面超分子組裝，形成穩(wěn)定的水凝膠組裝體，可作為彩色三維碼存儲(chǔ)信息。他們通過激光雕刻技術(shù)將信息碼圖案嵌入水凝膠中，借助水凝膠中熒光分子的AIE效應(yīng)，在紫外線照射下，信息碼圖案會(huì)清晰地顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)信息儲(chǔ)存。

研究團(tuán)隊(duì)還提出了“碼中碼”策略，將不同類型信息碼嵌入AIE超分子水凝膠中。如此，不僅分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維信息或二維信息的大量存儲(chǔ)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)一維、二維、三維信息的多層次存儲(chǔ)。通過“碼中碼”策略，他們不僅設(shè)計(jì)了“三維碼中的一維碼”和“三維碼中的二維碼”，還將一維碼和二維碼同時(shí)植入到三維碼中，設(shè)計(jì)出“三維碼中的一維碼和二維碼”，提高了信息碼的存儲(chǔ)容量。

水凝膠大規(guī)模應(yīng)用仍待破題

“生活中，信息碼的應(yīng)用已經(jīng)隨處可見。”吉曉帆說，未來信息碼將在物流、醫(yī)療、旅游、金融等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，推動(dòng)信息存儲(chǔ)技術(shù)蓬勃發(fā)展。

但現(xiàn)在的研究大多基于一維碼、二維碼或三維碼的獨(dú)立應(yīng)用，每種信息碼都只能存儲(chǔ)一種信息。而吉曉帆團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型儲(chǔ)存材料水凝膠，可以進(jìn)行多信息存儲(chǔ)，具有突破性意義。

據(jù)團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究人員介紹，水凝膠的結(jié)構(gòu)與生命組織相似，且無刺激、無致敏性，在與人體組織、血液等相接觸時(shí)，其表面黏附細(xì)胞及蛋白質(zhì)的能力很弱，表現(xiàn)出良好的生物相容性。此外，水凝膠中含有大量水分，以水為溶劑，具有環(huán)保、清潔、極易獲取等特點(diǎn)，這也使這種材料在應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。近年來，相關(guān)產(chǎn)品已成功作為創(chuàng)面護(hù)理敷料、退熱貼、藥物載體等廣泛應(yīng)用。當(dāng)水凝膠作為信息儲(chǔ)存材料時(shí)，其柔性特點(diǎn)及生物相容性優(yōu)勢(shì)，將使它在可穿戴智能設(shè)備、柔性器件等領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

與無機(jī)硅、量子點(diǎn)等信息存儲(chǔ)技術(shù)相比，AIE水凝膠具有易于調(diào)控、便于加工等優(yōu)勢(shì)，有望為實(shí)現(xiàn)新一代信息存儲(chǔ)技術(shù)提供有效的解決方案。

“雖然優(yōu)勢(shì)明顯，但仍需技術(shù)突破。”吉曉帆介紹，水凝膠在干燥環(huán)境下容易快速失水變干，在嚴(yán)寒氣候下又容易凍結(jié)，從而損失某些功能。另外，水凝膠在實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)時(shí)，需通過激光雕刻將信息碼圖案嵌入凝膠中，這無疑加大了生產(chǎn)工藝的難度。

在論文中，該團(tuán)隊(duì)只進(jìn)行了有限的信息存儲(chǔ)效果展示。“理論上，如果我們?cè)谀z組裝體的各個(gè)凝膠單元中嵌入更多信息碼圖案，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)無限多的信息存儲(chǔ)。”吉曉帆說，但這面臨著一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，當(dāng)需要在一定規(guī)格的水凝膠中引入大量信息時(shí)，圖案數(shù)量大大增加，而圖案面積就會(huì)相對(duì)縮小，這對(duì)生產(chǎn)工藝的要求十分嚴(yán)格。若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，更精密的生產(chǎn)設(shè)備還有待攻關(guān)。(記者吳純新通訊員王瀟瀟)

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