基于力致发光材料构建分子级光学存储器

It is feasible to break though the diffraction limit with the help of super-resolution fluorescence microscopy that based on single-molecular fluorescence. The capacity of optical data storage will thus be brought to the next level. This project will start with the synthesis of a “rotational-plane” type of molecular system, which possesses electron donor-acceptor pairs. They are expected to realize both crystallization-quenching and mechanoluminescence. Theoretical calculation together with crystal analysis will be studied to picture the mechanism, followed by the in-depth study on the theoretical correlation between aggregation structure and the emission behavior. To perform the mechanoluminescence, mechanical force will be applied through a probe on the crystallographic plane, causing crystal defects with intense fluorescence on the dark crystal. Thus the involved molecules will be developed into information carrier which is capable of encoding binary data on the effective storage surface. In order to break the diffraction limit, nano-scaled mechanical probe (2-100 nm) will be used to stimulate the dark crystal, generating crystal defects with fluorescence for super diffraction imaging. Furthermore, mass of data will be encoded by infinitesimal mechanical probe on the selected area, by which the data storage can be upgraded to the molecular level.

若要突破衍射极限，大幅提升光学存储器的容量，基于单分子发光的超分辨显微技术提供了一个可行方案。本项目拟合成一类具有电子给受体基团的“旋转平面型”分子，可同时实现结晶猝灭和力致发光性能。该项目将结合单晶分析研究其力致发光机理，建立聚集态模式和发光行为之间的理论关联。为实施力致发光性能，本项目拟采取局部探针加压的方法破坏晶体结构，使之转变为具有强烈荧光的晶体缺陷区域。该项目拟将此类化合物作为信息载体材料，通过力学刻录的方法在该材料所构建的存储平面上对数据进行二进制存储。为了突破衍射极限，本项目将研究该材料在纳米尺度（2-100 nm）的力学探针刺激下的荧光响应，并对受激区域进行超衍射成像。本项目将利用这种方法在选定的有效存储平面内使用极细探针大规模写入二进制数据，实现分子级别的存储密度。

在当今信息化时代背景下，全球信息量增长速率极高，据统计，2006年全球共产生1.61亿TB的信息量，五年后的2011年，这一数据跃至1800 EB，到2020年全球信息总量预计将高达40 ZB。数据存储器经历了从CD到DVD再到BD、HD-DVD的发展历程，其个体容量也从650 MB激增至50GB。然而基于光学信号的数据存储器受限于瑞利极限，导致光存储器的数据容量难以进一步突破。另一方面，信息化也伴随着诸多安全隐患，如信息泄露、黑客入侵等等。因此，科研人员近年来一直在寻求更高容量、更安全的数据存储器。在此背景下，申请人立项研究基于力致变色材料的新型信息存储器，利用电子给受体（D-A）修饰的有机分子的“缺陷发光”现象构筑新型力致变色材料，实现其对机械力的高度敏感性，并探索其在信息存储领域中的应用价值。通过该项目，申请人培养了四名硕士研究生，并在以下几个方面获得成果。.（1）敏感性力致变色材料的研发，力学响应下限低至1.1 N（0.62 MPa）。.（2）具有D-A结构的有机小分子的“缺陷发光”机理研究，提出双平面D-A体系的分子设计策略。.（3）基于“缺陷发光”的新型力致变色材料的研发。.（4）实现二进制信息的“力学存储-化学擦写”。.（5）实现信息的“力学存储-热擦写”。.（6）“条件力致变色”现象的研究，以及其在信息“加密-解密”技术中的应用。.（7）自恢复型力致变色材料的研发。.申请人作为通讯作者将上述成果发表在SCI国际知名期刊上，共计18篇，超额完成了项目的预期目标。