Ein nanoschaltbares Polarsäulensystem, das eine Datenspeicherung mit hoher Dichte ermöglicht

In der heutigen digitalen Informationswelt werden täglich enorme Datenmengen ausgetauscht und gespeichert.

In den 1980er Jahren stellte IBM die erste Festplatte in der Größe eines Kühlschranks vor, die 1 GB Daten speichern konnte. Heute verfügen wir jedoch über Speichergeräte mit einer tausendfach größeren Datenspeicherkapazität, die problemlos in unsere Handfläche passen. Wenn das derzeitige Tempo der Zunahme digitaler Informationen ein Hinweis darauf ist, benötigen wir noch neuere Datenaufzeichnungssysteme, die leichter sind, geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben und vor allem über eine höhere Datenspeicherdichte verfügen.

Kürzlich hat sich eine neue Materialklasse namens axial polar-ferroelektrische säulenförmige Flüssigkristalle (AP-FCLCs) als Kandidat für zukünftige hochdichte Speichermaterialien herausgestellt. Ein AP-FCLC ist ein Flüssigkristall mit einer Struktur aus parallelen Säulen, die durch molekulare Selbstorganisation erzeugt werden und entlang der Säulenachse eine Polarisation aufweisen.

Die Säulen ändern ihre Polarrichtung, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird. Wenn AP-FCLCs ihre Polarisation auch nach Entfernung des elektrischen Feldes beibehalten können, macht diese Eigenschaft zusammen mit ihrer Flexibilität, metallfreien Zusammensetzung, Energiesparfähigkeit und geringen Umweltbelastung AP-FCLCs ideal für Speichergeräte mit ultrahoher Dichte. Leider kann die durch ein externes elektrisches Feld induzierte Polarität aufgrund der flüssigen Natur von Flüssigkristallen durch externe Reize leicht aufgehoben werden.

Eine Lösung für dieses Problem wurde nun von einem Forscherteam der Universität Chiba unter der Leitung von Professor Keiki Kishikawa von der Graduate School of Engineering vorgeschlagen, zu dem auch der Doktorand Hikaru Takahashi von der Graduate School of Science and Engineering und der außerordentliche Professor Michinari Kohri von der Graduate School of Engineering gehörten.

In ihrer jüngsten bahnbrechenden Studie, veröffentlicht in ACS Angewandte NanomaterialienDas Team stellte einen Polarisationsfixierungsmechanismus für ein AP-FCLC-System auf Harnstoffbasis vor, bei dem die Materialien einen sanften Übergang von der AP-FCLC-Phase in eine Kristallphase (Cr) durchlaufen können, ohne die induzierte Polarstruktur zu beeinflussen.

„Ziel war es, eine Verbindung mit drei Zuständen zu realisieren: einem beschreibbaren und wiederbeschreibbaren Zustand, einem Löschzustand und einem sicheren Zustand. Der Schwerpunkt lag auf der Minimierung der Änderung der molekularen Packungsstrukturen während des FCLC-Cr-Phasenübergangsprozesses“, erklärt Prof. Kishikawa.

Um ein polarisationsfixierbares AP-FCLC-System zu schaffen, synthetisierte das Team 1,3-Bis(3′,4′-di(2-butyloctyloxy)[1,1′-biphenyl]-4-ylharnstoff – ein organisches Molekül, das in seinem Molekülzentrum aus Harnstoff besteht, um ein Wasserstoffbindungsnetzwerk zu erzeugen, das die Bildung von Säulenaggregaten im Flüssigkristallzustand (LC) erleichtern kann, zwei Biphenylgruppen als Substituenten zur Erzeugung starker intermolekularer Wechselwirkungen in der Säulenstruktur und vier sperrige Alkylgruppen als Endketten, um eine dichte Molekülpackung zu verhindern und einen FCLC-Cr-Phasenübergang bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen.

Das vorbereitete FCLC-System zeigte eine Erhaltung der Polarisation in der Cr-Phase, eine thermisch stabile Speicherung der Polarisationsinformationen und eine Beständigkeit gegenüber dem externen elektrischen Feld bei Raumtemperatur. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass sich die Moleküle selbst zu nanometergroßen helikalen Säulen ordneten, die dann kleine Domänen bildeten und ferroelektrischer Natur wurden.

Diese Studie liefert eine neue Strategie für die Entwicklung von AP-FCLC-Systemen, die ihre Polarisationsinformationen über einen langen Zeitraum beibehalten können. Mit dem vorgeschlagenen Rahmen können stabile Gedächtnismaterialien mit hoher Toleranz gegenüber äußeren Reizen und geringer Umweltbelastung entwickelt werden.

„AP-FCLCs haben das Potenzial, eine mehr als 10.000-mal höhere Aufzeichnungsdichte als Blu-ray-Disks zu erreichen, wurden jedoch aufgrund des Instabilitätsproblems nicht in die Praxis umgesetzt. Diese Arbeit wird dazu beitragen, ihre Zuverlässigkeit zu verbessern und den Weg für leichte, flexible elektronische Geräte und verbrennbare Geräte zur Aufzeichnung vertraulicher Informationen zu ebnen“, schließt Prof. Kishikawa.