華中科技大學推出新型硬盤材料 水凝膠代替磁盤

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來源: 科技日報 2021-10-22 08:59:00

  采用“碼中碼”策略,實現大規模信息存儲

  超分子水凝膠或讓未來“硬盤”變“軟”

  將信息碼圖案通過激光雕刻技術嵌入水凝膠中,借助水凝膠中熒光分子的AIE效應,在紫外線照射下,信息碼圖案會清晰地顯示出來,從而實現信息儲存。未來這種水凝膠有望像硬盤一樣存儲大容量信息。

  ◎本報記者 吳純新 通訊員 王瀟瀟

  說到儲存信息的載體,大多數人第一時間會想到硬盤。隨著人們要儲存的圖片和視頻越來越多,對信息儲存材料的存儲容量和成本等也提出了更高的要求。50多年來,硬盤的存儲量從5MB增長到TB級,但也不能滿足所有人的需求。現在,一種新型信息儲存材料——信息碼逐漸進入人們的視野,僅幾年時間,信息碼已從一維碼、二維碼發展到三維碼,並得到了廣泛應用。

  記者10月20日從華中科技大學獲悉,該校化學與化工學院教授吉曉帆團隊與中國科學院院士、香港中文大學(深圳)教授唐本忠團隊合作,研發出一種能實現信息大量存儲的超分子水凝膠。吉曉帆告訴記者,該水凝膠作為一種新型信息儲存材料,有望突破信息碼存儲信息單一的瓶頸,可以像硬盤一樣存儲大容量信息。相關論文發表在《先進材料》上。

  讀取信息碼數據更方便快捷

  隨著社會經濟的發展,人們對信息儲存的要求也不斷昇級。吉曉帆說,硬盤在1956年剛問世時僅可儲存5MB的信息量,隨著技術的不斷進步,其信息存儲量從1973年的30MB,增加到2007年的TB級,存儲容量可謂突飛猛進。“從低存儲量到TB級高存儲量,硬盤的快速發展極大促進了信息社會進步。”

  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域廣泛應用,但其往往只能存儲單一信息,不能滿足社會發展需求。那麼,能不能讓信息碼像硬盤一樣可以存儲大容量信息呢?吉曉帆信心滿滿地告訴記者:“這個看似遙不可及的想法,正一步步成為現實。”

  目前,根據圖案類型,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,它將多個寬度不等的黑白條紋,按照一定編碼規則排列(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,按一定規律在平面(二維方向上)排列出黑白相間、記錄數據符號信息的圖形;彩色三維碼是以傳統黑白二維碼為基礎,加以不同顏色矩陣,構成獨特彩色圖像。

  雖然一維碼、二維碼、三維碼原理不同,但本質上都是將文字(數字)圖像化,便於機器(終端)快速識別、錄入的一種圖像編碼。

  吉曉帆介紹,與傳統信息儲存材料相比,信息碼材料可以相對直觀地展示,且數據讀取更加方便快捷。

  “碼中碼”可實現多層次存儲

  為了提高信息代碼的存儲能力,吉曉帆等人設計了一種水凝膠。據吉曉帆團隊相關負責人介紹,要讓水凝膠存儲信息,首先要想方設法讓水凝膠顯色,從而展示出相應的信息圖案。而傳統熒光生色團在高聚集狀態下,熒光會減弱甚至不發光,即顯示出聚集熒光猝滅效應(ACQ)。

  早在2001年,唐本忠院士團隊就已經發現了一種特殊現象:一些熒光分子在聚集狀態下反而會顯示出更加強烈的熒光,並提出這是一種聚集誘導發光(AIE)效應。隨後,具有AIE效應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、細胞器成像和長效追蹤的熒光探針等眾多領域應用。

  借助這種熒光分子的優良發光性能,吉曉帆團隊設計並制備了3種不同熒光顏色(紅色、黃色、藍色)的AIE超分子水凝膠。通過凝膠界面超分子組裝,形成穩定的水凝膠組裝體,可作為彩色三維碼存儲信息。他們通過激光雕刻技術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,在紫外線照射下,信息碼圖案會清晰地顯示出來,從而實現信息儲存。

  研究團隊還提出了“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,不僅分別實現了對一維信息或二維信息的大量存儲,還可實現對一維、二維、三維信息的多層次存儲。通過“碼中碼”策略,他們不僅設計了“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植入到三維碼中,設計出“三維碼中的一維碼和二維碼”,提高了信息碼的存儲容量。

  水凝膠大規模應用仍待破題

  “生活中,信息碼的應用已經隨處可見。”吉曉帆說,未來信息碼將在物流、醫療、旅游、金融等眾多領域廣泛應用,推動信息存儲技術蓬勃發展。

  但現在的研究大多基於一維碼、二維碼或三維碼的獨立應用,每種信息碼都只能存儲一種信息。而吉曉帆團隊研發的新型儲存材料水凝膠,可以進行多信息存儲,具有突破性意義。

  據團隊相關研究人員介紹,水凝膠的結構與生命組織相似,且無刺激、無致敏性,在與人體組織、血液等相接觸時,其表面黏附細胞及蛋白質的能力很弱,表現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,具有環保、清潔、極易獲取等特點,這也使這種材料在應用中具有顯著優勢。近年來,相關產品已成功作為創面護理敷料、退熱貼、藥物載體等廣泛應用。當水凝膠作為信息儲存材料時,其柔性特點及生物相容性優勢,將使它在可穿戴智能設備、柔性器件等領域具有更大的應用價值。

  與無機硅、量子點等信息存儲技術相比,AIE水凝膠具有易於調控、便於加工等優勢,有望為實現新一代信息存儲技術提供有效的解決方案。

  “雖然優勢明顯,但仍需技術突破。”吉曉帆介紹,水凝膠在乾燥環境下容易快速失水變乾,在嚴寒氣候下又容易凍結,從而損失某些功能。另外,水凝膠在實現信息存儲時,需通過激光雕刻將信息碼圖案嵌入凝膠中,這無疑加大了生產工藝的難度。

  在論文中,該團隊只進行了有限的信息存儲效果展示。“理論上,如果我們在凝膠組裝體的各個凝膠單元中嵌入更多信息碼圖案,就可實現對無限多的信息存儲。”吉曉帆說,但這面臨著一個現實問題,當需要在一定規格的水凝膠中引入大量信息時,圖案數量大大增加,而圖案面積就會相對縮小,這對生產工藝的要求十分嚴格。若要實現大規模應用,更精密的生產設備還有待攻關。

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