I dagens värld av digital information utbyts och lagras en enorm mängd data dagligen.

På 1980-talet avslöjade IBM den första hårddisken – som var storleken på ett kylskåp – som kunde lagra 1 GB data, men nu har vi minnesenheter som har tusen gånger större datalagringskapacitet och som lätt kan passa in i vår handflata. Om den nuvarande ökningstakten för digital information är någon indikation, kräver vi ännu nyare dataregistreringssystem som är lättare, har låg miljöpåverkan och, viktigast av allt, har högre datalagringstäthet.

Nyligen har en ny klass av material som kallas axiellt polära ferroelektriska kolumnära flytande kristaller (AP-FCLC) dykt upp som en kandidat för framtida minneslagringsmaterial med hög densitet. En AP-FCLC är en flytande kristall med en struktur av parallella kolonner genererade genom molekylär självmontering, som har polarisering längs kolumnaxeln.

Kolumnerna växlar sina polära riktningar vid applicering av ett externt elektriskt fält. Om AP-FCLC:er kan bibehålla sin polarisering även efter att det elektriska fältet har tagits bort, gör denna egenskap, tillsammans med deras flexibilitet, metallfria sammansättning, energibesparingsförmåga och låga miljöpåverkan, AP-FCLC:er idealiska för ultrahög densitet minnesenheter. Tyvärr, på grund av flytande kristallers flytande natur, kan polariteten som induceras av ett externt elektriskt fält lätt upphävas av yttre stimuli.

En lösning på detta problem har nu föreslagits av ett team av forskare från Chiba University, ledda av professor Keiki Kishikawa från Graduate School of Engineering och inklusive doktoranden Hikaru Takahashi från Graduate School of Science and Engineering och docent Michinari Kohri från civilingenjörshögskolan.

I deras senaste genombrottsstudie, publicerad i ACS Applied Nano Materials , presenterade teamet en polarisationsfixeringsmekanism för ett ureabaserat AP-FCLC-system, där materialen kan genomgå en mjuk övergång från AP-FCLC-fas till en kristallfas (Cr) utan att påverka den inducerade polära strukturen.

"Målet var att realisera en förening med tre tillstånd:ett skrivbart och omskrivbart tillstånd, ett raderingstillstånd och ett sparat tillstånd. Tonvikten lades på att minimera förändringen i molekylära packningsstrukturer under fasövergångsprocessen FCLC−Cr", förklarar Prof. . Kishikawa.

För att skapa ett polarisationsfixbart AP-FCLC-system syntetiserade teamet 1,3-bis(3',4'-di(2-butyloktyloxi)[1,1'-bifenyl]-4-yl)urea - en organisk molekyl bestående av urea vid dess molekylära centrum för att generera ett vätebindningsnätverk som kan underlätta bildningen av kolumnartat aggregat i ett flytande kristalltillstånd (LC), två bifenylgrupper som substituenter för att generera starka intermolekylära interaktioner i kolonnstrukturen, och fyra skrymmande alkylgrupper som terminala kedjor för att förhindra tät molekylär packning och möjliggöra FCLC−Cr fasövergång vid lägre temperatur.

Det förberedda FCLC-systemet uppvisade bevarande av polarisation i Cr-fasen, med termiskt stabil polarisationsinformationslagring och motstånd mot det externa elektriska fältet vid rumstemperatur. Vidare fann forskarna att molekylerna självsorterade sig i spiralformade kolonner i nanostorlek, som sedan bildade små domäner och blev ferroelektriska till sin natur.

Denna studie ger en ny strategi för utveckling av AP-FCLC-system som kan behålla sin polarisationsinformation under lång tid. Det föreslagna ramverket kan användas för att utveckla stabila minnesmaterial med hög tolerans mot yttre stimuli och låg miljöpåverkan.

"AP-FCLC har potential att uppnå mer än 10 000 gånger större inspelningstäthet än Blu-ray-skivor, men de har inte tagits i praktisk användning på grund av instabilitetsproblemet. Detta arbete kommer att bidra till att förbättra deras tillförlitlighet, vilket banar väg för ljus -viktiga flexibla elektroniska anordningar och brännbara konfidentiell informationsinspelningsanordningar", avslutar Prof. Kishikawa.

Mer information: Hikaru Takahashi et al, Axially Polar-Ferroelectric Columnar Liquid Crystalline System That Maintains Polarization upon Switching to the Crystalline Phase:Impplications for Maintaining Long-Term Polarization Information, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c01508

Tillhandahålls av Chiba University