Et nano-skiftbart polært søjlesystem, der tillader datalagring med høj tæthed

I nutidens verden af ​​digital information udveksles og lagres en enorm mængde data på daglig basis.

I 1980'erne afslørede IBM den første harddisk – som var på størrelse med et køleskab – der kunne lagre 1 GB data, men nu har vi hukommelsesenheder, der har tusind gange større datalagringskapacitet og nemt kan passe ind i vores håndflade. Hvis det nuværende tempo i stigningen i digital information er nogen indikation, kræver vi endnu nyere dataregistreringssystemer, der er lettere, har lav miljøpåvirkning og, vigtigst af alt, har højere datalagringstæthed.

For nylig er en ny klasse af materialer kaldet aksialt polære ferroelektriske søjleformede flydende krystaller (AP-FCLC'er) dukket op som en kandidat til fremtidige hukommelsesmaterialer med høj tæthed. En AP-FCLC er en flydende krystal med en struktur af parallelle søjler genereret ved molekylær selvsamling, som har polarisering langs søjleaksen.

Søjlerne skifter deres polære retninger ved påføring af et eksternt elektrisk felt. Hvis AP-FCLC'er kan opretholde deres polarisering, selv efter at det elektriske felt er fjernet, gør denne egenskab sammen med deres fleksibilitet, metalfri sammensætning, strømbesparende evne og lave miljøpåvirkning AP-FCLC'er ideelle til ultra-høj tæthed hukommelsesenheder. På grund af flydende krystallers flydende natur kan polariteten, der induceres af et eksternt elektrisk felt, desværre let fortrydes af eksterne stimuli.

En løsning på dette problem er nu blevet foreslået af et team af forskere fra Chiba University, ledet af professor Keiki Kishikawa fra Graduate School of Engineering og inklusive doktorgradsstuderende Hikaru Takahashi fra Graduate School of Science and Engineering og lektor Michinari Kohri fra diplomingeniørskolen.

I deres nylige gennembrudsundersøgelse, offentliggjort i ACS Applied Nano Materials , præsenterede holdet en polarisationsfikseringsmekanisme for et urinstofbaseret AP-FCLC-system, hvor materialerne kan gennemgå en jævn overgang fra AP-FCLC-fase til en krystalfase (Cr) uden at påvirke den inducerede polære struktur.

"Målet var at realisere en forbindelse med tre tilstande:en skrivbar og genskrivbar tilstand, en slettetilstand og en gemt tilstand. Der blev lagt vægt på at minimere ændringen i molekylære pakningsstrukturer under FCLC−Cr faseovergangsprocessen," forklarer Prof. Kishikawa.

For at skabe et polarisationsfikserbart AP-FCLC-system syntetiserede teamet 1,3-bis(3',4'-di(2-butyloctyloxy)[1,1'-biphenyl]-4-yl)urinstof - et organisk molekyle bestående af urinstof ved dets molekylære centrum til generering af et hydrogenbindingsnetværk, der kan lette dannelsen af ​​søjleformet aggregat i en flydende krystal (LC) tilstand, to biphenylgrupper som substituenter til at generere stærke intermolekylære interaktioner i søjlestrukturen og fire voluminøse alkylgrupper som terminale kæder for at forhindre tæt molekylær pakning og muliggøre FCLC−Cr-faseovergang ved lavere temperatur.

Det forberedte FCLC-system udviste bevarelse af polarisering i Cr-fasen med termisk stabil polariseringsinformationslagring og modstand mod det eksterne elektriske felt ved stuetemperatur. Ydermere fandt forskerne ud af, at molekylerne selvsorterede sig i spiralformede søjler i nanostørrelse, som derefter dannede små domæner og blev ferroelektriske i naturen.

Denne undersøgelse giver en ny strategi for udvikling af AP-FCLC-systemer, der kan bevare deres polarisationsinformation i lang tid. Den foreslåede ramme kan bruges til at udvikle stabile hukommelsesmaterialer med høj tolerance over for ydre stimuli og lav miljøpåvirkning.

"AP-FCLC'er har potentialet til at opnå mere end 10.000 gange større optagetæthed end Blu-ray-diske, men de er ikke blevet taget i brug i praksis på grund af ustabilitetsproblemet. Dette arbejde vil hjælpe med at forbedre deres pålidelighed og bane vejen for lys -vægt fleksible elektroniske enheder og brændbare fortrolige informationsregistreringsenheder," konkluderer prof. Kishikawa.

Flere oplysninger: Hikaru Takahashi et al., Axially Polar-Ferroelectric Columnar Liquid Crystalline System, der opretholder polarisering ved skift til den krystallinske fase:Implikationer for opretholdelse af langtidspolariseringsinformation, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c01508

Leveret af Chiba University