許言 儲(chǔ)鵬翔 黃俊驍

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院本科生 北京 100871)

在飛速發(fā)展的信息時(shí)代，人們對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的要求越來(lái)越高，表現(xiàn)在儲(chǔ)存設(shè)備上，就是希望更小的體積能夠帶來(lái)更大的儲(chǔ)存容量?，F(xiàn)行的高密度存儲(chǔ)設(shè)備首推硬盤(pán)，它利用磁介質(zhì)的磁性方向來(lái)記錄信息，使用特殊的讀寫(xiě)頭來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)?，F(xiàn)代硬盤(pán)的超大容量應(yīng)歸功于1988年法國(guó)肯特教授的研究小組在Fe/Cr膜材料中發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)使磁盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)取得了飛躍性的進(jìn)展。

另一方面，在過(guò)去的30年里，超分子化學(xué)同樣飛速發(fā)展，并迅速向其他科學(xué)領(lǐng)域滲透。超分子器件的不斷合成以及分子識(shí)別、分子切換和分子自組裝理論的不斷完善，都為我們提供了充足的材料和靈感，來(lái)把化學(xué)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w系和功能。

在1959年12月美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上，物理學(xué)家費(fèi)曼向人們提出一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題：制造一個(gè)器件最少需要多少個(gè)原子？如果可以在原子層面上實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)體系的構(gòu)建，或者哪怕是在分子/超分子的級(jí)別，都將使得存儲(chǔ)設(shè)備的體積小到令人難以置信的地步。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一假設(shè)，儲(chǔ)存介質(zhì)甚至整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)都將迎來(lái)一次徹底的變革。而在這樣一個(gè)化學(xué)與物理學(xué)飛速發(fā)展，納米技術(shù)出現(xiàn)并興起，有機(jī)合成取得輝煌成就的時(shí)代里，這種假設(shè)逐漸得到人們的認(rèn)真看待。

本文圍繞分子存儲(chǔ)體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討，并據(jù)此提出了一套可能的設(shè)計(jì)方案。

1 可行性分析

一張120mm光盤(pán)，其印刷尺寸為：外徑115mm，內(nèi)徑40mm，其有效印刷面積約為91.3cm2，一般存儲(chǔ)容量約為5GB，即每張光盤(pán)可以存儲(chǔ)約4×1010個(gè)1/0信息。由計(jì)算可得出，光盤(pán)上平均每個(gè)2.13×10-13m2的平面空間上存儲(chǔ)了一個(gè)1/0信息。這些單位存儲(chǔ)格子的邊長(zhǎng)尺寸(一維尺寸)在0.1～1μm之間，意味著光盤(pán)上存儲(chǔ)的每個(gè)1/0信息需要一個(gè)獨(dú)立的<1.0μm2的平面區(qū)域。

辦公或家用臺(tái)式電腦的硬盤(pán)的單面有效印刷面積約為62cm2，單面容量已達(dá)到125GB。由計(jì)算同樣可得出，磁盤(pán)上單位存儲(chǔ)格子的邊長(zhǎng)尺寸(一維尺寸)的數(shù)量級(jí)在0.1μm左右，每存儲(chǔ)一個(gè)1/0信息大約需要一個(gè)獨(dú)立的0.01μm2的平面區(qū)域。

然而一個(gè)普通小分子的尺寸在10-10m數(shù)量級(jí)上。一組由10000個(gè)小分子構(gòu)成的平面正方形陣列的邊長(zhǎng)只有幾納米。假若可以在分子或超分子層面上實(shí)現(xiàn)信息的儲(chǔ)存和讀取，那么在這種記錄器件上存儲(chǔ)每一個(gè)1 / 0信息大致只需要一個(gè)幾納米乘以幾納米的平面物理空間。和前述介質(zhì)的微米尺度上的存儲(chǔ)相比，分子/超分子儲(chǔ)存材料實(shí)現(xiàn)的是納米數(shù)量級(jí)上的信息存儲(chǔ)，可以大大提高單位面積上的信息存儲(chǔ)容量。

據(jù)此，我們確信這種設(shè)計(jì)記錄材料的思路是能夠得到更高存儲(chǔ)密度的記錄材料的。我們認(rèn)為，從超分子層面上探討和設(shè)計(jì)信息存儲(chǔ)材料具有合理性、可行性和應(yīng)用前景。

2 理論分析

分子器件被定義為在結(jié)構(gòu)上有序，在功能上完整的一個(gè)化學(xué)體系，它們由一些有特殊性質(zhì)的組分以恰當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合而成，并有可能形成超分子結(jié)構(gòu)[1]。分子存儲(chǔ)體系發(fā)揮作用從邏輯上需要：(a)外界激勵(lì)，即具有分子大小尺寸的信號(hào)源；(b)激勵(lì)響應(yīng)器件，即分子存儲(chǔ)材料。(a)和(b)在物理上是分離的，因?yàn)?a)必須能對(duì)(b)作空間上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣才可以對(duì)(b)中的每一個(gè)平面物理空間(我們稱之為一個(gè)信息位點(diǎn))進(jìn)行尋址并進(jìn)行1/0狀態(tài)的寫(xiě)入。在(b)中起關(guān)鍵作用的是分子切換器件，因?yàn)橛?jì)算機(jī)需要的是0/1信息，即只需要器件能在兩種不同狀態(tài)之間進(jìn)行可控切換即可。分子切換器件所響應(yīng)的激勵(lì)通常具有光子、電子、離子、熱、磁、機(jī)械等特征，而其中已進(jìn)行了一定規(guī)模研究的有光切換器件、電子切換器件、離子切換器件和機(jī)械切換器件等。如光切換是指經(jīng)由光化學(xué)變化而引起分子中上述某一性質(zhì)的改變，其中包括電子-光切換，光-光切換，機(jī)械-光切換等。對(duì)于用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分子存儲(chǔ)介質(zhì)，我們認(rèn)為其分子切換器件至少需要滿足下述特性：(1) 信息的一次寫(xiě)入可用于多次讀取，即非破壞性的讀取過(guò)程；(2) 對(duì)于寫(xiě)入和讀取能夠快速響應(yīng)；(3) 正向過(guò)程和逆向過(guò)程均具有很高的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率，便于多次循環(huán)使用。

通常作用于分子切換器件上的激勵(lì)信號(hào)都是宏觀的，即某一宏觀信號(hào)的進(jìn)入得到另一宏觀信號(hào)的表達(dá)。在這里，信號(hào)的精度至關(guān)重要。(a) 的作用就是接收外界宏觀信號(hào)并將之轉(zhuǎn)化成分子尺度上的信號(hào)，以具有足夠的精度對(duì)同樣基于分子尺度的一個(gè)或一個(gè)陣列的分子切換器件進(jìn)行激勵(lì)。在上述幾種切換器件中，機(jī)械切換過(guò)程和電子切換過(guò)程一般難以達(dá)到這樣的精度，即很難在信號(hào)源和存儲(chǔ)介質(zhì)空間上彼此不接觸的情形下，由信號(hào)源精確地對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)上某一個(gè)信息位點(diǎn)給出一個(gè)機(jī)械信號(hào)或電子流；而離子切換器件一般工作在溶液體系里，以濃度改變作為表征對(duì)象，在現(xiàn)有技術(shù)水平下，為每一個(gè)信息位點(diǎn)準(zhǔn)備一個(gè)獨(dú)立的溶液體系顯然是更不可能做到的；因此，選擇光切換過(guò)程是唯一的選擇，即在信號(hào)源和存儲(chǔ)介質(zhì)之間通過(guò)光子的形式來(lái)傳遞激勵(lì)信號(hào)，并引發(fā)存儲(chǔ)介質(zhì)上切換器件狀態(tài)的改變。

同樣以光作為特征激勵(lì)信號(hào)，日常使用的光盤(pán)刻錄系統(tǒng)即是一種以光作為信息傳遞介質(zhì)的信息寫(xiě)入系統(tǒng)。光盤(pán)的存儲(chǔ)密度的瓶頸在于光的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)光盤(pán)的容量越小。如CD技術(shù)使用780nm激光，標(biāo)準(zhǔn)容量650MB；DVD使用650nm激光，容量4.7GB；Blue-ray Disc使用405nm波長(zhǎng)的藍(lán)色激光，容量可升至25GB。由于衍射效應(yīng)，光盤(pán)無(wú)法獲得更高的存儲(chǔ)密度，即無(wú)法在更小的面積單位上進(jìn)行1/0信息的燒錄。使用光切換器件的分子存儲(chǔ)體系的信號(hào)源必須避免重復(fù)光盤(pán)刻錄的設(shè)計(jì)思路。我們認(rèn)為，一種的有效解決方法是利用超分子光轉(zhuǎn)化器件，組裝尺寸更小的光源以獲得更高精度。這種設(shè)計(jì)可以不必考慮小孔衍射效應(yīng)對(duì)光控寫(xiě)入的限制，因?yàn)槠湓硎窃谛】滋幇惭b新的光源，接收照射至其上方的激光光波作為能量并輻射出新的光波，而并非需要激光自身穿過(guò)小孔。

另一種存儲(chǔ)設(shè)備磁盤(pán)在信息讀寫(xiě)上有其可取之處，由于巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，其讀寫(xiě)精度大幅提高。目前限制其容量的瓶頸在于其自身存儲(chǔ)介質(zhì)的介質(zhì)存儲(chǔ)密度。隨著存儲(chǔ)密度的增高，作為激勵(lì)響應(yīng)物質(zhì)的磁顆粒勢(shì)必會(huì)變得越來(lái)越小，達(dá)到臨界情況時(shí)，電子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使磁顆粒的磁化方向發(fā)生不可控的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致信息丟失。而“可行性分析”表明，分子存儲(chǔ)材料有可能實(shí)現(xiàn)在存儲(chǔ)介質(zhì)上更高的存儲(chǔ)密度。

原則上，存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的限制在于讀寫(xiě)精度和介質(zhì)存儲(chǔ)密度兩個(gè)方面。我們認(rèn)為超分子存儲(chǔ)系統(tǒng)可以同時(shí)在這兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破。

另外，在設(shè)計(jì)分子器件時(shí)，有必要引入糾錯(cuò)機(jī)制以降低器件失敗的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)單個(gè)光切換器件進(jìn)行操作是不保險(xiǎn)的，有許多不可控因素可以影響一個(gè)光切換器件接受激勵(lì)和響應(yīng)激勵(lì)的過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致信息丟失的危險(xiǎn)。一個(gè)由一定數(shù)目光切換器件組成的光切換器件平面陣列可以充分實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)的目的：每一個(gè)陣列作為一個(gè)信息位點(diǎn)，信號(hào)源以陣列為單位對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，每一次給予此陣列內(nèi)的全部光切換器件以統(tǒng)一的光信號(hào)。模仿物理上以高低電平來(lái)表示1 / 0的方法，可以認(rèn)為陣列內(nèi)超過(guò)50%的分子器件發(fā)生了從0狀態(tài)到1狀態(tài)的轉(zhuǎn)換即代表此陣列狀態(tài)從0變?yōu)?，反之亦然。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 存儲(chǔ)材料的核心構(gòu)件

為了使分子存儲(chǔ)材料滿足上述要求，即能夠響應(yīng)激勵(lì)、記錄狀態(tài)并能夠非破壞性地釋放信息，需要多個(gè)構(gòu)件的共同作用，其核心構(gòu)件是記錄0/1信息的分子切換器件，即一個(gè)可實(shí)現(xiàn)在兩種狀態(tài)間可控轉(zhuǎn)化的分子或大基團(tuán)?，F(xiàn)代超分子光化學(xué)研究已經(jīng)得到了一系列光控切換器件[2]，其在不同波長(zhǎng)的光照下可在兩種狀態(tài)之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)化(圖1)。

圖1 兩種可作為光切換分子器件的化合物

在本文中，我們選取圖2所示的化合物作為存儲(chǔ)材料使用的光切換器件[3]。具體原理如下：在5mm核磁共振管中用312nm波長(zhǎng)的紫外光照射1.25×10-5mol·dm-3化合物1a的氘代乙腈溶液，可使無(wú)色的化合物1a發(fā)生電環(huán)化反應(yīng)迅速轉(zhuǎn)化成化合物1b，其深藍(lán)色吸收帶在590～340nm之間。核磁共振結(jié)果顯示>98%的分子轉(zhuǎn)化為光穩(wěn)態(tài)。當(dāng)暴露在>600nm的可見(jiàn)光下時(shí)，1b完全褪為無(wú)色，重新轉(zhuǎn)化為1a。1a和1b這一對(duì)分子的可逆光反應(yīng)滿足前述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下存儲(chǔ)材料所需的若干特性,如高反應(yīng)速率(快速響應(yīng))，高額量子產(chǎn)率，正、逆反應(yīng)所需光波波長(zhǎng)相差足夠遠(yuǎn)等。由于只需調(diào)整照射光的波長(zhǎng)使得反應(yīng)易于控制，也使得計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的操作相對(duì)簡(jiǎn)單。

此分子對(duì)的特殊之處在于1b分子兩側(cè)的酚羥基與整個(gè)共軛體系形成了一個(gè)“拉長(zhǎng)的對(duì)苯二酚結(jié)構(gòu)”，在+735mV(相對(duì)甘汞電極)時(shí)可被氧化成醌式。此反應(yīng)的逆向過(guò)程發(fā)生在-180mV(相對(duì)甘汞電極)下，紫色的2被還原成藍(lán)色的1b。而1a在-1V～+1V(相對(duì)甘汞電極)范圍內(nèi)表現(xiàn)為電化學(xué)惰性；分子2則是光化學(xué)惰性的(圖2)。

我們認(rèn)為這種光控切換和氧化還原反應(yīng)相交叉的分子器件作為光化學(xué)分子存儲(chǔ)材料的核心構(gòu)件原則上是十分合適的。其附加的可逆氧化還原過(guò)程提供了一種關(guān)于寫(xiě)保護(hù)功能的設(shè)想。當(dāng)1a被轉(zhuǎn)化為1b后，如果經(jīng)過(guò)合適的氧化處理，就不再對(duì)光敏感而不會(huì)返回狀態(tài)1a，作為儲(chǔ)存介質(zhì)，這相當(dāng)于具有了寫(xiě)保護(hù)的功能。這個(gè)特殊性質(zhì)是這個(gè)分子的最大亮點(diǎn)。

圖2 包含一個(gè)氧化還原反應(yīng)的光切換器件

另外，一個(gè)具有存儲(chǔ)功能的分子除了記錄1/0信息所需的光切換構(gòu)件(基團(tuán))，還需要具有提供可讀能力的其他構(gòu)件(基團(tuán))。這一部分將在后面(3.3)詳細(xì)介紹。

3.2 寫(xiě)過(guò)程

3.2.1 光轉(zhuǎn)化分子器件

如前(理論分析)所述，信號(hào)源需要利用超分子光轉(zhuǎn)化器件組裝尺寸更小的光源，以獲得更高精度。文獻(xiàn)[4]指明在一類鑭系金屬離子的穴狀配合物中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光轉(zhuǎn)化功能。這類光轉(zhuǎn)化分子器件一般包含由有機(jī)大π基團(tuán)構(gòu)成的光吸收陣列和由鑭系金屬離子構(gòu)成的光發(fā)射器兩個(gè)部分。其中光吸收陣列吸收光波，并將能量傳遞至光發(fā)射器，輻射出另一波長(zhǎng)的特征光波。其中光吸收基團(tuán)的吸光原理為有機(jī)大π體系的π-π*躍遷。圖3顯示了此類光轉(zhuǎn)化分子的“吸收-能量轉(zhuǎn)移-發(fā)射”的工作過(guò)程。

圖3 吸收-能量轉(zhuǎn)移-發(fā)射

我們認(rèn)為對(duì)有機(jī)配體基團(tuán)進(jìn)行必要修飾和采用合適的結(jié)構(gòu)變化可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整輻射光波的波長(zhǎng)。同時(shí)在有機(jī)配體上添加合適基團(tuán)為其在高分子薄膜上的單層生長(zhǎng)提供了便利。這一性質(zhì)在下述內(nèi)容中將顯得非常重要。另外，這一類穴狀配合物具有高熱力學(xué)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)惰性，這在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的連續(xù)工作中保證了其具有足夠的抗疲勞能力。

3.2.2 信號(hào)源

如前(理論分析)所述，信號(hào)源可采用圖4所示結(jié)構(gòu)。激光源產(chǎn)生的相對(duì)較寬的單色光從上方進(jìn)入，底部由透光的高分子薄片和植于其上作為小光源的光轉(zhuǎn)化功能分子陣列(圖4中以陰影球代表，將在下面詳述)構(gòu)成。上方進(jìn)入的激光束在其余位置將直接透過(guò)透光高分子薄片繼續(xù)傳播至介質(zhì)表面，而在光轉(zhuǎn)化分子陣列處被吸收，并被轉(zhuǎn)化為另一確定波長(zhǎng)的光輻射出去。

通過(guò)修飾上述光轉(zhuǎn)化器件，分別對(duì)光吸收過(guò)程和光發(fā)射過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，可以得到一對(duì)入射光和岀射光，使其滿足下述要求：(1) 存儲(chǔ)材料上的光切換器件對(duì)入射光完全惰性；(2) 岀射光恰好滿足光切換器件正向轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)要求(如圖2中1a分子發(fā)生轉(zhuǎn)換所需的312nm波長(zhǎng))。

圖5顯示了上述高分子薄片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，陰影部分即為光轉(zhuǎn)化功能分子在平面上單層排列形成的光轉(zhuǎn)化陣列。為保證精度，陣列大小為邊長(zhǎng)數(shù)百分子的量級(jí)。這塊分子陣列是整個(gè)信號(hào)源的關(guān)鍵部件，我們對(duì)其設(shè)想了一種可能的制備方法：為了制作出這片足夠小的光轉(zhuǎn)化陣列，可以在一塊透光高分子基板上預(yù)先整體接上一層占位分子，并將這些占位分子與基板相連接的化學(xué)鍵設(shè)計(jì)為在給定波長(zhǎng)的光照下易于發(fā)生斷裂的化學(xué)鍵。隨后用極細(xì)的激光束定點(diǎn)照射基板，使其解離掉一小部分，或者用隧道掃描電鏡探針剔除一小塊分子。將其置于條件合適的反應(yīng)體系中進(jìn)行生長(zhǎng)，只有在占位分子離去留下的空位里才可以接上將要作為信號(hào)源的光轉(zhuǎn)化分子，這樣就獲得了我們需要的一小塊光轉(zhuǎn)化分子陣列。我們認(rèn)為這一設(shè)想是合理的。這一設(shè)想的思路來(lái)自于蛋白質(zhì)的人工合成。

圖4 信號(hào)源的結(jié)構(gòu)

圖5 高分子薄片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

需要指出的是，光轉(zhuǎn)化分子輻射出的光將不再是激光，其在空間內(nèi)向各個(gè)方向傳播。所以，前述光轉(zhuǎn)化分子陣列的引入是必須的。通過(guò)分子陣列的使用可以使激勵(lì)信號(hào)依然只對(duì)位于其正下方的信息位點(diǎn)進(jìn)行操作而不致影響周?chē)畔⑽稽c(diǎn)。由于照度與光源光強(qiáng)成正比，與照射距離的平方成反比，通過(guò)計(jì)算模擬結(jié)果(圖6)可知：對(duì)一個(gè)儲(chǔ)存單元進(jìn)行寫(xiě)入操作后，其用于讀取的有效區(qū)域和與其相鄰存儲(chǔ)單元讀取區(qū)的曝光量差別很大。光轉(zhuǎn)化分子陣列的使用保證了在非激光條件下寫(xiě)入操作的精確性。

圖6 計(jì)算模擬結(jié)果

3.3 關(guān)于“讀”的設(shè)想

在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)之后，為使集成在微觀水平上的信息能夠被讀取，即實(shí)現(xiàn)分子信息的表達(dá)，要求作為存儲(chǔ)介質(zhì)的分子具有向外界提供光、電、磁的遠(yuǎn)程可識(shí)別的能力。

圖2中的分子1a與分子1b的一個(gè)重要區(qū)別在于其共軛體系存在差異(注意1a中部的空間位阻令其兩側(cè)基團(tuán)極有可能不在同一平面上)，但這一差異無(wú)法直接被外界以遠(yuǎn)程作用的形式識(shí)別。可以通過(guò)把1a或1b插入一個(gè)共軛多烯烴路徑中來(lái)達(dá)到被識(shí)別的目的。原則上，通過(guò)1a/1b的切換可以干擾路徑中的電子共軛，進(jìn)而有效控制電子可否在整個(gè)路徑上進(jìn)行傳導(dǎo)(圖7)。這一光電開(kāi)關(guān)的思路已經(jīng)在超分子非線性光學(xué)材料的研究中得到闡述。

圖7 電子傳導(dǎo)的可控過(guò)程

利用上述性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)電子屬性對(duì)光屬性的控制。對(duì)于光致發(fā)光材料，它的發(fā)光性質(zhì)可以通過(guò)接上一個(gè)電活性器件進(jìn)行調(diào)控。如在對(duì)光致發(fā)光的(三-聯(lián)吡啶)釕(Ⅱ)配合物光轉(zhuǎn)化性質(zhì)研究[5]中，在聯(lián)吡啶上接入一個(gè)苯醌單元可以使配合物不再具有光致發(fā)光性質(zhì)，而接入一個(gè)氫醌基團(tuán)則對(duì)發(fā)光性質(zhì)無(wú)影響(圖8)。機(jī)理是在有機(jī)天線接受了光子并將其能量傳導(dǎo)至中心釕(Ⅱ)離子后，配合物1中迅速發(fā)生了電子向醌基團(tuán)的傳遞，導(dǎo)致經(jīng)由能量遷移或電子遷移的發(fā)光猝滅。這一過(guò)程可以被理解為光活性分子器件和電活性分子器件的復(fù)合作用(圖9)。

圖8 (三-聯(lián)吡啶)釕(Ⅱ)配合物的光轉(zhuǎn)化性質(zhì)

圖9 經(jīng)由電子遷移的發(fā)光猝滅

因此,原則上可以設(shè)計(jì)如下的識(shí)別過(guò)程。即不分別事先引入電活性和非電活性基團(tuán)，而代之以全部引入電活性基團(tuán)，并在光致發(fā)光基團(tuán)與電活性基團(tuán)之間的電子傳遞路徑上添加光電開(kāi)關(guān)，通過(guò)其開(kāi)/關(guān)狀態(tài)影響電活性基團(tuán)功能的發(fā)揮，即通過(guò)控制是否完成經(jīng)由電子遷移的發(fā)光猝滅，來(lái)控制光致發(fā)光基團(tuán)的發(fā)光與否。附加合適波長(zhǎng)的外加光源，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“關(guān)”的位點(diǎn)可發(fā)光，而狀態(tài)為“開(kāi)”的位點(diǎn)發(fā)光被猝滅或大幅削弱(圖10)，進(jìn)而可以通過(guò)對(duì)盤(pán)面轉(zhuǎn)速和讀取時(shí)間間隔的精確控制(脈沖時(shí)鐘)來(lái)精確掃描每一位點(diǎn)的發(fā)光情況，通過(guò)一系列的后續(xù)過(guò)程即可還原每一信息位點(diǎn)的0/1信息(如通過(guò)聚焦過(guò)程將信號(hào)放大，并由光敏器件將之轉(zhuǎn)化為電信號(hào)等等)。

圖10 識(shí)別過(guò)程中光電開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)(a) 開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“開(kāi)”，位點(diǎn)發(fā)光被猝滅或者被削弱；(b) 開(kāi)光狀態(tài)為“關(guān)”，位點(diǎn)可發(fā)光虛線部分為光電開(kāi)關(guān)

需要指出的是，利用1a、1b共軛體系上的差異的方法還可以有很多。比如我們的另一個(gè)設(shè)想就是在裝有1a/1b光電開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)鏈共軛烯烴兩端分別接上一個(gè)強(qiáng)給電子基團(tuán)和強(qiáng)吸電子基團(tuán)，開(kāi)關(guān)從“關(guān)”變?yōu)椤伴_(kāi)”使得電子可以在長(zhǎng)程共軛體系上從一端向另一端發(fā)生移動(dòng)，其結(jié)果必然導(dǎo)致給電子基團(tuán)帶上更多正電荷，吸電子基團(tuán)帶上更多負(fù)電荷。電性質(zhì)上的差別同樣使得0/1信號(hào)的檢出成為可能。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)分子存儲(chǔ)材料的可行性、理論模型及其讀寫(xiě)和寫(xiě)保護(hù)的一些實(shí)際內(nèi)容進(jìn)行了分析與討論，結(jié)論如下:(1) 使用高效光切換分子器件為核心構(gòu)造存儲(chǔ)功能分子并以一定量分子陣列作為基本1/0存儲(chǔ)單元為在分子層面上進(jìn)行存儲(chǔ)控制提供了可能性；(2) 通過(guò)超分子光轉(zhuǎn)化器件“吸收-能量轉(zhuǎn)移-發(fā)射”的工作原理避免現(xiàn)行光盤(pán)激光信號(hào)源的衍射效應(yīng)，使光信號(hào)的精度達(dá)到分子級(jí)別；(3) 在存儲(chǔ)分子內(nèi)部利用光切換器件的光電開(kāi)關(guān)功能，以電子屬性控制相連發(fā)光基團(tuán)的發(fā)光屬性，完成“讀”的步驟。由于所涉及的部分專業(yè)知識(shí)和原理尚不在我們現(xiàn)階段掌握范圍內(nèi)，同時(shí)也暫時(shí)沒(méi)有條件進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所以我們的表述可能存在很多缺陷和不足。但就理論設(shè)計(jì)與思路探討而言，本文可以說(shuō)是在新技術(shù)領(lǐng)域提出了一個(gè)大膽的設(shè)計(jì)方案。

我們認(rèn)為，本文所提出的設(shè)想有以下幾方面局限性:(1) 超分子光轉(zhuǎn)化器件的最佳工作溫度通常比較低，在室溫條件下光轉(zhuǎn)化效率降至10%以下；(2) 信號(hào)源上的光轉(zhuǎn)化分子陣列與存儲(chǔ)介質(zhì)上的存儲(chǔ)分子陣列之間的距離需要足夠小，這使得存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)備在工作時(shí)容易受到外界震動(dòng)的影響；(3) 從設(shè)計(jì)原理上無(wú)法具有比磁盤(pán)更快的讀寫(xiě)速度，只能用于外圍存儲(chǔ)設(shè)備；(4) 存儲(chǔ)材料使用有機(jī)分子，熱穩(wěn)定性不如磁盤(pán)和光盤(pán)，故在長(zhǎng)時(shí)間工作下的穩(wěn)定性是需要探討的問(wèn)題。

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