大数据时代最有应用前景的光信息存储材料

　　上海市七宝中学 朱文迪

　　辅导教师 高 俊 解永树

　　来源：全国青少年科技创新大赛获奖作品展播

　　大数据时代如何保存数据？高密度光信息存储是解决这一问题的重要的研究前沿。二芳基乙烯类化合物（BBTE）具有极高的热稳定性、优异的抗疲劳度，以及不同异构体状态间显著的物理化学性能差异，因此，该体系成为高密度光信息存储中最有应用前景的研究体系。设计合成一类新型的具有手性专一性响应的苯并噻二唑为烯桥的二芳基乙烯化合物（BBTE），希望利用烯桥和芳基间的空间位阻，能阻挡芳基的自由旋转，使开环体的构象异构体无法发生消旋化，从而可以发生对映异构选择专一性的光致变色反应，最终实现位阻型的二芳基乙烯的内在手性响应。并尝试采用旋光度作为信号输出源，实现BBTE聚合物薄膜的非破坏性信号输出，构建一类具有潜在应用价值的光信息存储材料，能够应用于大数据的存储。

　　BBTE的制备和异构体分离

　　1.中间体M2（2- 甲基苯并［b］噻吩）

　　（1）搭反应装置：在250mL 的三口瓶上，依次装上回流冷凝管、100mL 滴液漏斗。在氮气流存在下，通过热的吹风机加热干燥整个反应装置，赶走反应装置的残留水分。

　　（2）投料、反应：反应装置干燥冷却后，分别加入M1重量为8.5g（64mmoL），量取无水四氢呋喃THF150mL。将整个反应装置放到一个低温的制冷泵里，冷却反应温度至-80℃，采用针筒注射器往滴液漏斗中加入浓度为2.4mol/L 的正丁基锂溶液27.0mL（约64mmoL），并调节滴液漏斗缓慢滴加进三口瓶中，充分搅拌30min 后，采用注射器加入CH3I，体积为5.0mL（80mmoL）。保持该低温反应1h，升至室温过夜。

　　（3）后处理、提纯：采用旋转蒸发仪浓缩反应液。加入溶剂二氯甲烷75mL，并用水进行洗涤，加水75mL。采用分液漏斗分层，取下层的有机相，再用75mL 洗涤有机相，同样分出有机层，经无水Na2SO4 干燥。干燥的有机相再次采用旋转蒸发仪浓缩后，所得的固体粗产品，采用硅胶柱层析分离，所采用的有机溶剂为石油醚（PE）。经柱色谱提纯分离后，得到白色固体9.0g，产率96.0%。

　　2.中间体M3（2- 甲基-3- 碘苯并［b］噻吩）

　　（1）搭反应装置：在250mL 的两口瓶上，装上回流冷凝管。在回流冷凝管的上端装上一气球，以防止反应过程中碘的逸出。

　　（2）投料、反应：在250mL的两口瓶中，加入醋酸（50mL）和H2O（10mL）后，再加入M2（7.4g，50.00mmoL）、碘（5.10g，20.10mmoL）、高碘酸HIO3（3.50g，10.0mmoL）、浓硫酸（1.5mL）。投料完毕后，加热升温至70℃，持续反应5h。

　　（3）后处理、提纯：冷却后，倒入含有250mL 水的烧杯中，加入饱和NaOH水溶液进行中和。中和后的水层用二氯甲烷进行萃取，共萃取3 次，每次采用80mL 二氯甲烷。二氯甲烷层再用Na2S2O3 水洗去残留的碘，最后二氯甲烷层采用无水Na2SO4 干燥浓缩后，采用硅胶柱层析分离，所采用的有机溶剂为石油醚（PE）。经柱色谱提纯分离后，得到白色固体13.0g，产率95%。

　　BBTE 溶液和薄膜性能测试

　　1.溶液的配制

　　用称量瓶称取3.5mg质量的化合物（o-BBTE或c-BBTE），转移至25mL容量瓶中，以待测溶剂（甲苯、四氢呋喃和乙腈）定容，得到一定浓度的化合物的溶液（2.88×10-4mol/L）；以移液管准确量取2.00mL的上述溶液，转移至另一个25mL 容量瓶中，以待测溶剂定容，得到稀浓度溶液（约2.3×10-5mol / L）。

　　2.聚合物薄膜的制备

　　取（S，S）-c-BBTE（1份质量）和聚D/L乳酸（99份质量）溶解于DCM中，经0.22μm 分子膜过滤后涂覆于石英玻璃上，置于通风的暗处，室温挥发溶剂干燥24h 后，得到一系列不同厚度的聚合物薄膜（质量分数为1%wt）。

　　3.光反应装置

　　将Hg/Xe灯的光以光纤导出，通过不同的滤光片（ 紫外光：λ=313 或280nm；可见光：λ ＞ 470nm），获得各类紫外或可见光（点光源），照射于均匀搅拌的比色皿中的样品上。变色反应需要使用均匀的面光源：紫外光由手提紫外灯（λ=302±20nm）提供；可见光由OLED 灯配以各类滤光片（λ ＞ 470nm 和λ=633nm）得到。

　　结论

　　（1）以苯并噻吩为初始反应物，经甲基化、碘代等四步反应制备BBTE 新化合物，单晶培养证明了BBTE 化合物可以发生对映异构选择专一性的光致变色反应。

　　（2）采用不同的溶剂和聚合物介质对BBTE 化合物的光致变色性能进行优化研究。结果表明，BBTE 化合物不仅在溶液中具有良好的光致变色性能，在薄膜中也同样具有良好的光致变色性能，可应用于光信息存储。

　　（3）采用简单的旋光度检测方法实现了非破坏性信息存储，多次循环测试表明，BBTE 可以稳定在PSS 态和开环态上，说明BBTE 在高分子膜内有不错的抗疲劳度表现，有望实现大数据的高密度光信息存储。

本文由北京工业大学教授、博士生导师，中国人工智能学会科普工作委员会秘书长于乃功 进行科学性把关