Un système de colonne polaire nano commutable qui permet un stockage de données à haute densité

Dans le monde actuel de l’information numérique, une énorme quantité de données est échangée et stockée quotidiennement.

Dans les années 1980, IBM a dévoilé le premier disque dur – qui avait la taille d’un réfrigérateur – qui pouvait stocker 1 Go de données, mais nous avons maintenant des périphériques de mémoire qui ont une capacité de stockage de données mille fois supérieure et peuvent facilement tenir dans la paume de notre main. Si le rythme actuel d’augmentation de l’information numérique est une indication, nous avons besoin de systèmes d’enregistrement de données encore plus récents, plus légers, ayant un faible impact sur l’environnement et, surtout, ayant une densité de stockage de données plus élevée.

Récemment, une nouvelle classe de matériaux appelés cristaux liquides colonnaires ferroélectriques axialement polaires (AP-FCLC) est apparue comme un candidat pour les futurs matériaux de stockage de mémoire haute densité. Un AP-FCLC est un cristal liquide avec une structure de colonnes parallèles générées par auto-assemblage moléculaire, qui ont une polarisation le long de l’axe de la colonne.

Les colonnes commutent leurs directions polaires lors de l’application d’un champ électrique externe. Si les AP-FCLC peuvent maintenir leur polarisation même après la suppression du champ électrique, cette propriété, ainsi que leur flexibilité, leur composition sans métal, leur capacité d’économie d’énergie et leur faible impact sur l’environnement, font des AP-FCLC la solution idéale pour les dispositifs de mémoire ultra-haute densité. Malheureusement, en raison de la nature fluide des cristaux liquides, la polarité induite par un champ électrique externe peut être facilement annulée par des stimuli externes.

Une solution à ce problème a maintenant été proposée par une équipe de chercheurs de l’Université de Chiba, dirigée par le professeur Keiki Kishikawa de la Graduate School of Engineering et comprenant l’étudiant au doctorat Hikaru Takahashi de la Graduate School of Science and Engineering et le professeur associé Michinari Kohri de la Graduate School of Engineering.

Dans leur récente étude révolutionnaire, publiée dans Nanomatériaux appliqués par ACSl’équipe a présenté un mécanisme de fixation de polarisation pour un système AP-FCLC à base d’urée, où les matériaux peuvent subir une transition en douceur de la phase AP-FCLC à une phase cristalline (Cr) sans affecter la structure polaire induite.

« L’objectif était de réaliser un composé à trois états : un état inscriptible et réinscriptible, un état d’effacement et un état de sauvegarde. L’accent a été mis sur la minimisation du changement dans les structures de garnissage moléculaire au cours du processus de transition de phase FCLC-Cr », explique le professeur Kishikawa.

Pour créer un système AP-FCLC fixable par polarisation, l’équipe a synthétisé le 1,3-bis(3′,4′-di(2-butyloctyloxy)[1,1′-biphenyl]-4-yl)urée – une molécule organique constituée d’urée à son centre moléculaire pour générer un réseau de liaisons hydrogène qui peut faciliter la formation d’agrégats colonnaires à l’état de cristal liquide (LC), deux groupes biphényles comme substituants pour générer de fortes interactions intermoléculaires dans la structure de la colonne et quatre groupes alkyle volumineux comme chaînes terminales pour empêcher un tassement moléculaire serré et permettre une transition de phase FCLC-Cr à basse température.

Le système FCLC préparé présentait une préservation de la polarisation dans la phase Cr, avec un stockage des informations de polarisation thermiquement stable et une résistance au champ électrique externe à température ambiante. De plus, les chercheurs ont découvert que les molécules s’auto-triaient en colonnes hélicoïdales de taille nanométrique, qui formaient ensuite de petits domaines et devenaient de nature ferroélectrique.

Cette étude fournit une nouvelle stratégie pour le développement de systèmes AP-FCLC capables de conserver leurs informations de polarisation pendant une longue période. Le cadre proposé peut être utilisé pour développer des matériaux de mémoire stables avec une tolérance élevée aux stimuli externes et un faible impact environnemental.

« Les AP-FCLC ont le potentiel d’atteindre une densité d’enregistrement plus de 10 000 fois supérieure à celle des disques Blu-ray, mais ils n’ont pas été mis en pratique en raison du problème d’instabilité. Ce travail contribuera à améliorer leur fiabilité, ouvrant la voie à des dispositifs électroniques flexibles légers et à des dispositifs d’enregistrement d’informations confidentielles incinérables », conclut le professeur Kishikawa.