超分子水凝胶或让未来“硬盘”变“软”

  将信息码图案通过激光雕刻技术嵌入水凝胶中，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。未来这种水凝胶有望像硬盘一样存储大容量信息。

  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。

  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。（吴纯新 王潇潇）