超分子水凝胶或让未来“硬盘”变“软”
  • 来源:科技日报
  • 作者:吴纯新 王潇潇
  • 2021-10-22 11:12

  说到储存信息的载体,大多数人第一时间会想到硬盘。随着人们要储存的图片和视频越来越多,对信息储存材料的存储容量和成本等也提出了更高的要求。50多年来,硬盘的存储量从5MB增长到TB级,但也不能满足所有人的需求。现在,一种新型信息储存材料——信息码逐渐进入人们的视野,仅几年时间,信息码已从一维码、二维码发展到三维码,并得到了广泛应用。

  记者10月20日从华中科技大学获悉,该校化学与化工学院教授吉晓帆团队与中国科学院院士、香港中文大学(深圳)教授唐本忠团队合作,研发出一种能实现信息大量存储的超分子水凝胶。吉晓帆告诉记者,该水凝胶作为一种新型信息储存材料,有望突破信息码存储信息单一的瓶颈,可以像硬盘一样存储大容量信息。相关论文发表在《先进材料》上。

视觉中国供图

  读取信息码数据更方便快捷

  随着社会经济的发展,人们对信息储存的要求也不断升级。吉晓帆说,硬盘在1956年刚问世时仅可储存5MB的信息量,随着技术的不断进步,其信息存储量从1973年的30MB,增加到2007年的TB级,存储容量可谓突飞猛进。“从低存储量到TB级高存储量,硬盘的快速发展极大促进了信息社会进步。”

  近年来,以二维码为代表的信息码,在商品流通、图书管理、防伪和保密等众多领域广泛应用,但其往往只能存储单一信息,不能满足社会发展需求。那么,能不能让信息码像硬盘一样可以存储大容量信息呢?吉晓帆信心满满地告诉记者:“这个看似遥不可及的想法,正一步步成为现实。”

  目前,根据图案类型,信息码可以分为一维码、二维码和三维码。一维码也称为条形码,它将多个宽度不等的黑白条纹,按照一定编码规则排列(一维方向上)出平行线图案;二维码则是用某种特定的几何图形,按一定规律在平面(二维方向上)排列出黑白相间、记录数据符号信息的图形;彩色三维码是以传统黑白二维码为基础,加以不同颜色矩阵,构成独特彩色图像。

  虽然一维码、二维码、三维码原理不同,但本质上都是将文字(数字)图像化,便于机器(终端)快速识别、录入的一种图像编码。

  吉晓帆介绍,与传统信息储存材料相比,信息码材料可以相对直观地展示,且数据读取更加方便快捷。

  “码中码”可实现多层次存储

  为了提高信息代码的存储能力,吉晓帆等人设计了一种水凝胶。据吉晓帆团队相关负责人介绍,要让水凝胶存储信息,首先要想方设法让水凝胶显色,从而展示出相应的信息图案。而传统荧光生色团在高聚集状态下,荧光会减弱甚至不发光,即显示出聚集荧光猝灭效应(ACQ)。

  早在2001年,唐本忠院士团队就已经发现了一种特殊现象:一些荧光分子在聚集状态下反而会显示出更加强烈的荧光,并提出这是一种聚集诱导发光(AIE)效应。随后,具有AIE效应的荧光分子不断在智能传感材料、液晶或偏振光材料、高效率的OLED显示和照明材料、细胞器成像和长效追踪的荧光探针等众多领域应用。

  借助这种荧光分子的优良发光性能,吉晓帆团队设计并制备了3种不同荧光颜色(红色、黄色、蓝色)的AIE超分子水凝胶。通过凝胶界面超分子组装,形成稳定的水凝胶组装体,可作为彩色三维码存储信息。他们通过激光雕刻技术将信息码图案嵌入水凝胶中,借助水凝胶中荧光分子的AIE效应,在紫外线照射下,信息码图案会清晰地显示出来,从而实现信息储存。

  研究团队还提出了“码中码”策略,将不同类型信息码嵌入AIE超分子水凝胶中。如此,不仅分别实现了对一维信息或二维信息的大量存储,还可实现对一维、二维、三维信息的多层次存储。通过“码中码”策略,他们不仅设计了“三维码中的一维码”和“三维码中的二维码”,还将一维码和二维码同时植入到三维码中,设计出“三维码中的一维码和二维码”,提高了信息码的存储容量。

  水凝胶大规模应用仍待破题

  “生活中,信息码的应用已经随处可见。”吉晓帆说,未来信息码将在物流、医疗、旅游、金融等众多领域广泛应用,推动信息存储技术蓬勃发展。

  但现在的研究大多基于一维码、二维码或三维码的独立应用,每种信息码都只能存储一种信息。而吉晓帆团队研发的新型储存材料水凝胶,可以进行多信息存储,具有突破性意义。

  据团队相关研究人员介绍,水凝胶的结构与生命组织相似,且无刺激、无致敏性,在与人体组织、血液等相接触时,其表面黏附细胞及蛋白质的能力很弱,表现出良好的生物相容性。此外,水凝胶中含有大量水分,以水为溶剂,具有环保、清洁、极易获取等特点,这也使这种材料在应用中具有显著优势。近年来,相关产品已成功作为创面护理敷料、退热贴、药物载体等广泛应用。当水凝胶作为信息储存材料时,其柔性特点及生物相容性优势,将使它在可穿戴智能设备、柔性器件等领域具有更大的应用价值。

  与无机硅、量子点等信息存储技术相比,AIE水凝胶具有易于调控、便于加工等优势,有望为实现新一代信息存储技术提供有效的解决方案。

  “虽然优势明显,但仍需技术突破。”吉晓帆介绍,水凝胶在干燥环境下容易快速失水变干,在严寒气候下又容易冻结,从而损失某些功能。另外,水凝胶在实现信息存储时,需通过激光雕刻将信息码图案嵌入凝胶中,这无疑加大了生产工艺的难度。

  在论文中,该团队只进行了有限的信息存储效果展示。“理论上,如果我们在凝胶组装体的各个凝胶单元中嵌入更多信息码图案,就可实现对无限多的信息存储。”吉晓帆说,但这面临着一个现实问题,当需要在一定规格的水凝胶中引入大量信息时,图案数量大大增加,而图案面积就会相对缩小,这对生产工艺的要求十分严格。若要实现大规模应用,更精密的生产设备还有待攻关。


责任编辑:陈杰
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