Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Движение аниона над катионом позволило химикам записать информацию в мономолекулярном слое

Kang Cui et al. / Angewandte Chemie International Edition, 2020

Ученые создали запоминающий информацию монослой из молекул соли, которая состояла из плоского органического катиона и неорганического аниона. Под действием напряжения, накладываемого зондом электронного микроскопа, анион оказывался над алкильной частью катиона, затемняя ее на изображении микроскопа, и мог оставаться в таком положении даже при чтении информации до тех пор, пока ее специально не стирали. По оценке авторов, бинарный носитель на практике может хранить от 20 до 30 терабит информации на квадратный сантиметр, а теоретически — до 41 терабита. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Чтобы увеличить объем информации, который можно хранить на единице площади материалов, ученые создают различные молекулярные структуры. Большинство таких систем получают в условиях высокого вакуума и низких температур (обычно менее 77 кельвин). Чаще всего в работах лишь описывают принцип переключения между бинарными состояниями молекул, но не демонстрируют на единичной молекуле или же не могут образовать мономолекулярный слой.

Одним из важнейших свойств, которым должно обладать молекулярное запоминающее устройство — это возможность работы при комнатной температуре и давлении. Кан Цуй (Kang Cui) и его коллеги из Левенского католического университета предложили систему для хранения информации в нормальных условиях, которая основана на супрамолекулярных изменениях соли из крупного плоского полиароматичного органического катиона и небольшого аниона перхлората. Они поместили раствор этой соли в октановой кислоте на поверхность золота Au (111), молекулы выстроились ровными рядами в супрамолекулярную структуру. Воздействуя электрическим полем иглы зонда сканирующего туннельного микроскопа, авторы изменяли дипольные молекулы так, что на изображении микроскопа они казались темными в сравнении с нетронутыми молекулами. Таким образом авторы записали четыре бита информации, которую смогли считать, сканируя всю поверхность в течение 30 минут.

Если прикладываемое напряжение оказывалось слишком высоким и «выключало» соседние молекулы, то эту ошибочную информацию можно было стереть, сканируя всю площадь поверхности, которая восстанавливалась до начального состояния.

Для объяснения успеха полученных экспериментальных данных исследователи произвели теоретические расчеты по теории функционала плотности. В условиях получения изображения (когда зонд поляризован положительно) одной из наиболее стабильных конфигураций оказывается та, где плоский органический катион адсорбирован на золотой поверхности, а неорганический анион расположен над его ароматичной частью, ближе к зонду. Такое расположение на изображении казалось светлым пятном, так как анион усиливал сигнал от сопряженной системы. Дипольный момент такой молекулы составил 8,1 дебай. Наиболее вероятным для изменения единичного диполя оказалось значение напряжения импульса в шесть десятых вольт. Авторы предполагают, что при таком импульсе, когда зонд поляризован отрицательно, электронная плотность в соли перераспределяется так, что ион перхлората располагается между алкильными частями органического катиона. Энергетический барьер такого обратимого перехода достаточно высокий, что объясняет экспериментально наблюдаемую стабильность заданных конфигураций.

Изменение контрастности в заданных точках авторы объясняют изменениями в электронных плотностях различных состояний. В процессе получения изображения, неорганический анион над плоскостью органического катиона передвигался по ароматической плоскости вслед за положительно поляризованной иглой микроскопа, что на изображении выглядело как яркое пятно. Когда перхлорат-ион оказывался захвачен алкильными фрагментами, он оказывался дальше от зонда и становится невидимым для микроскопа, что выглядело на изображении как темное пятно.

Теоретически такие материалы могли бы хранить до 41 терабита информации на квадратный сантиметр, однако, авторы предполагают, что на практике будет возможно кодировать от 20 до 30 терабит информации на квадратный сантиметр. По их словам предложенный концепт кодирования информации в нормальных условиях делает нас на шаг ближе к применению таких технологий в повседневной жизни.

Помимо изменения конформации супрамолекулярных структур, ученые также пытаются разработать новые способы кодирования информации по изменению фазового состояния или магнитных свойств структурных единиц. Так, например швейцарские ученые контролируемо переводили атомы гелия в квантовых загонах из твердого состояния в жидкое. А физики из Китая и США создали пленки из анизотропных магнитных частиц с минимальным размером одной ячейки около пяти нанометров и модифицировали зонд для их выборочного намагничивания.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.