目前数据信息存储方式最重要的包含磁介质存储与半导体闪存等,但这些方式不仅能耗比高,还面临储存时间有限、使用费高等问题。
光盘作为常见的光存储载体,具有能耗低、成本低、存储长久和安全的优势,但它的存储密度、容量和读写速度皆有限。因此,发展出同时能够很好的满足安全、大容量、低能耗的新型存储材料和技术尤为重要。
分子开关(光致变色)类光存储材料不受材料本身的限制,存储单元尺度理论上能够小到分子级别,具有高密度光存储的应用潜力。在长期低成本海量数据存储方面具有较高的使用价值。
然而,分子开关类光存储材料也面临着依赖于有害且成本高的紫外光驱动、稳定性差以及开关转换不完全等问题。
近期,华中科技大学副教授、教授团队开发出由可见光高效驱动的双稳态分子光开关,有望推动分子光开关材料在高密度光信息存储方面应用的发展。
近日,相关论文以《面向光学信息记录:一种稳健的可见光驱动的分子光开关,闭环反应产率超过 96.3%》()为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 上[1]。
华中科技大 学武汉光电国家研究中心硕 士生洪盼为第一作者, 副教授担任通讯作者。
图丨可见光驱动“准”定量闭环反应的双稳态分子开关和对照物的光异构化反应示意图(来源:Angewandte Chemie International Edition)
二噻吩基乙烯(dithienylethene,DTE ) 分子开关具有双热 稳定态,在一定温度范围内,即便加热也不会影响数据存储(读写擦功能)。
需要了解的是,一般分子开关一定要通过紫外光照实现变色的过程,但紫外光具有较高的光损伤性,使用成本通常比较高,并对光学系统设备具备了较高的技术要求。
在该研究中,研究人员以三苯胺苯基(triphenylamine phenyl,TPAP)为修饰基团,将 DTE 作为分子开关的母核。
在保持材料优异性能的同时,解决了分子开关转化率不高的问题,可见光下高转化率的分子开关提高了可见光材料的实用性。
该研究中,在 405nm 短波可见光照射条件下,分子光开关的闭环反应产率 逾 96 .3%。405nm 的可见光是商用光盘常用的驱动光,它的优势是来源广泛、获取相对容易且价格相对较低。
据悉,在科研领域,超过 90% 的闭环反应产率即是比较优秀的分子开关的开闭环数据。 终态时,未能转化的开环体比例越多,越可能会对开关对比度信号或材料功能产生不利影响,而越接近 100% 的闭环反应产率意味着越有可能按照指令被可控地操作。
谈及高转化率的意义,表示:“从概率上容易推论出,当分子开关的应用下探至单分子和少数分子集群尺度时,高的开关反应转化率是它们的物理性质稳定操控(而不出现随机响应)的前提。”
他们通过高效液相色谱和核磁共振氢谱方法双重检验后,得出 96.3% 的闭环反应产率。相对来说具有较高的可靠性,也为领域提供了一种相对标准的范式。
图丨通过高效液相色谱和核磁共振氢谱双重检验双稳态分子开关在 405nm 短波可见光照下的闭环转化率(来源:Angewandte Chemie International Edition)
从结构上来看,可见光高效驱动的分子光开关比较精简(无复杂的结构基团),易于材料的复现,借鉴该思路有望设计出更好性能的材料。
表示:“希望能够通过该研究可以让更多人看到,从材料合成到性能的角度,越简单的结构反而越有利于应用。”
他们利用材料的双稳态特性,演示了多阶光信息存储应用,实现了 8 阶光存储。这在某种程度上预示着一个数据记录单元可以存放 3 比特数据量,而当前的光盘存储通常只能存储 1 比特数据。
一方面,该材料能够应用于需要保密传输信息的特殊领域,例如防伪、信息加密等。另一方面,该材料还可应用于可重写的信息显示。
举例说道:“例如,我们现在经常在超市等场所看到的二维码等显示信息,也可通过该技术应用在具有可重写功能的信息或标签显示,促进资源的循环利用。”
该研究是研究团队完成光信息存储系列研究的第一步,未来他们将继续提升材料的实用性。据了解,研究人员最近正在致力于可以在一定程度上完成 100% 转化的可见光驱动的分子开关,目前初步结果已表明,在该研究中的结构基础上能轻松的获得性能更高的分子开关材料。
表示:“后期我们会把高性能的可见光驱动性能引入,并朝着荧光分子开关的方向发展,它的信噪比高于颜色(吸收)信号至少 2 个数量级,高检测敏感度更加有助于信息存储的读写和密度提升。”
此外,该课题组还计划利用该技术单分子的特点,在超分辨荧光成像方向继续探索。
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