In de huidige wereld van digitale informatie wordt dagelijks een enorme hoeveelheid gegevens uitgewisseld en opgeslagen.

In de jaren tachtig onthulde IBM de eerste harde schijf – zo groot als een koelkast – die 1 GB aan gegevens kon opslaan, maar nu hebben we geheugenapparaten die een duizendvoudig grotere gegevensopslagcapaciteit hebben en gemakkelijk in de computer passen. palm van onze hand. Als het huidige tempo van de toename van digitale informatie een indicatie is, hebben we nog nieuwere systemen voor gegevensregistratie nodig die lichter zijn, een lage impact op het milieu hebben en, belangrijker nog, een hogere gegevensopslagdichtheid hebben.

Onlangs is een nieuwe klasse materialen, axiaal polaire ferro-elektrische kolomvormige vloeibare kristallen (AP-FCLC's), naar voren gekomen als kandidaat voor toekomstige geheugenopslagmaterialen met hoge dichtheid. Een AP-FCLC is een vloeibaar kristal met een structuur van parallelle kolommen, gegenereerd door moleculaire zelfassemblage, die polarisatie hebben langs de kolomas.

De kolommen veranderen hun polaire richtingen bij het aanleggen van een extern elektrisch veld. Als AP-FCLC's hun polarisatie kunnen behouden, zelfs nadat het elektrische veld is verwijderd, maakt deze eigenschap, samen met hun flexibiliteit, metaalvrije samenstelling, energiebesparende vermogen en lage impact op het milieu, AP-FCLC's ideaal voor ultra-hoge dichtheid geheugen apparaten. Helaas kan, vanwege de vloeibare aard van vloeibare kristallen, de polariteit die wordt veroorzaakt door een extern elektrisch veld gemakkelijk ongedaan worden gemaakt door externe stimuli.

Een oplossing voor dit probleem is nu voorgesteld door een team van onderzoekers van de Chiba Universiteit, onder leiding van professor Keiki Kishikawa van de Graduate School of Engineering, waaronder PhD-student Hikaru Takahashi van de Graduate School of Science and Engineering en universitair hoofddocent Michinari Kohri van de Graduate School of Engineering.

In hun recente baanbrekende onderzoek, gepubliceerd in ACS Applied Nano Materials presenteerde het team een ​​polarisatiefixatiemechanisme voor een op ureum gebaseerd AP-FCLC-systeem, waarbij de materialen een soepele overgang kunnen ondergaan van de AP-FCLC-fase naar een kristalfase (Cr) zonder de geïnduceerde polaire structuur te beïnvloeden.

"Het doel was om een ​​verbinding te realiseren met drie toestanden:een beschrijfbare en herschrijfbare toestand, een wistoestand en een veilige toestand. De nadruk werd gelegd op het minimaliseren van de verandering in moleculaire pakkingsstructuren tijdens het FCLC-Cr-faseovergangsproces", legt prof. .Kishikawa.

Om een ​​door polarisatie fixeerbaar AP-FCLC-systeem te creëren, synthetiseerde het team 1,3-bis(3',4'-di(2-butyloctyloxy)[1,1'-bifenyl]-4-yl)ureum, een organisch molecuul bestaande uit ureum in het moleculaire centrum voor het genereren van een waterstofbindingsnetwerk dat de vorming van kolomvormig aggregaat in een vloeibaar kristal (LC) toestand kan vergemakkelijken, twee bifenylgroepen als substituenten voor het genereren van sterke intermoleculaire interacties in de kolomstructuur, en vier omvangrijke alkylgroepen als terminale ketens om strakke moleculaire pakking te voorkomen en FCLC-Cr-faseovergang bij lagere temperatuur mogelijk te maken.

Het voorbereide FCLC-systeem vertoonde behoud van polarisatie in de Cr-fase, met thermisch stabiele opslag van polarisatie-informatie en weerstand tegen het externe elektrische veld bij kamertemperatuur. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de moleculen zichzelf sorteerden in spiraalvormige kolommen van nanogrootte, die vervolgens kleine domeinen vormden en ferro-elektrisch van aard werden.

Deze studie biedt een nieuwe strategie voor de ontwikkeling van AP-FCLC-systemen die hun polarisatie-informatie lange tijd kunnen behouden. Het voorgestelde raamwerk kan worden gebruikt om stabiele geheugenmaterialen te ontwikkelen met een hoge tolerantie voor externe stimuli en een lage impact op het milieu.

"AP-FCLC's hebben het potentieel om een ​​meer dan 10.000 keer grotere opnamedichtheid te bereiken dan Blu-ray-schijven, maar ze zijn nog niet in de praktijk gebruikt vanwege het instabiliteitsprobleem. Dit werk zal hun betrouwbaarheid helpen verbeteren en de weg vrijmaken voor licht -weeg flexibele elektronische apparaten en verbrandbare apparaten voor het registreren van vertrouwelijke informatie", besluit prof. Kishikawa.

Meer informatie: Hikaru Takahashi et al., Axiaal polair-ferro-elektrisch zuilvormig vloeibaar-kristallijn systeem dat de polarisatie handhaaft bij het overschakelen naar de kristallijne fase:implicaties voor het behouden van langetermijnpolarisatie-informatie, ACS toegepaste nanomaterialen (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c01508

Aangeboden door Chiba Universiteit