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，藉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

説到儲存信息的載體，大多數人第一時間會想到硬盤。隨着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

隨着社會經濟的發展，人們對信息儲存的要求也不斷升級。吉曉帆説，硬盤在1956年剛問世時僅可儲存5MB的信息量，隨着技術的不斷進步，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。

藉助這種熒光分子的優良發光性能，吉曉帆團隊設計並製備了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，藉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。”吉曉帆説，未來信息碼將在物流、醫療、旅遊、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幹，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。”吉曉帆説，但這面臨着一個現實問題，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。