Цивилизация
Класс органических материалов, полученных в лабораториях Северо-Западного университета Иллинойса (США), открывает новые, захватывающие дух возможности в практическом использовании сегнетоэлектриков — самополяризующихся кристаллов, для которых характерно явление гистерезиса, или памяти о предыдущем состоянии. Эти свойства помогут в разработке новых энергонезависимых устройств памяти для компьютеров, мобильных устройств и больших дата-центров, реализующих облачные вычисления.
Команда химиков, работающая под руководством Сэмюэла Стаппа, смогла синтезировать большеразмерные кристаллы с сегнетоэлектрическими свойствами, используя в качестве строительных блоков всего два типа относительно несложных органических молекул. Последние самособираются посредством водородных связей в высокоупорядоченную кристаллическую структуру, способную к спонтанной электрической поляризации, когда одна сторона кристаллического образца несет слабый положительный, а другая — слабый отрицательный заряд (впервые этот эффект, аналогичный явлению ферромагнетизма, был открыт и исследован в 1920 году на кристаллах сегнетовой соли — тетрагидрате двойной натриево-калиевой соли винной кислоты).
Поляризацией кристалла можно управлять, прилагая к нему внешнее электрическое поле.
Если электрическое поле убрать, кристалл «запомнит» последнюю поляризацию. Это свойство делает сегнетоэлектрики очень перспективным материалом в разработке устройств энергонезависимой компьютерной памяти, ведь одну конфигурацию диполя (базовой ячейки памяти) можно принять за условную «единицу», а другую — за условный «ноль».
Между тем найти сегнетоэлектрик, относительно дешевый в производстве и, главное, работающий при комнатной температуре, оказалось не так-то просто.
Собственно, команда Стаппа решила обе задачи сразу.
В качестве сырья для производства кристаллов с сегнетоэлектрическими свойствами был использован пиромелит диазена (C10H4N2O4), молекулы которого играют в кристаллической трехмерной решетке роль электронных акцепторов. Вторым компонентом кристалла могут быть молекулы нафталена (C10H8), пирена (C16H10) или тетратиафульвалена ((H2C2S2C)2), играющие в 3D-решетке роль электронных доноров. Получившиеся кристаллы проявляли свойства сегнетоэлектриков при комнатной температуре, в отличие от конкурентов из других лабораторий, которые «соглашаются» быть сегнетоэлектриками лишь в присутствии криогенных установок.
Для сегмента органической химии, изучающей этот перспективный класс веществ, это настоящий прорыв.
В кристаллах обмен электронами происходит между расположенными поочередно «партнерскими» молекулами — донорами и акцепторами. Под действием электрического поля партнерские связи мгновенно перестраиваются, поляризация меняется на противоположную и сохраняется, даже если поле убрать.
В общей сложности группа Стаппа изучила десять разновидностей сегнетоэлектриков, полученных по технологии самосборки, и описала три из них в статье, опубликованной сегодня в Nature. По заявлению авторов, использованная ими технология позволит «создавать почти неограниченные библиотеки сегнетоэлектрических материалов», что открывает, по мнению одного из комментаторов статьи, «настоящий ящик Пандоры в области сегнетоэлектроники».
Технические же преимущества последней весьма заманчивы.
Так, устройства энергонезависимой памяти на основе таких кристаллов частично решат проблему энергопотребления не только в гаджетах, но и в «облачных» дата-центрах, тратящих все больше и больше энергии для хранения огромных массивов данных в полупроводниковых устройствах типа RAM на основе кремния, которые теряют информацию при выключении питания. Дальнейшие исследования органических кристаллов на основе пиромелита диазена должны показать, насколько перспективна эта технология с точки зрения эксплуатации и массового производства и составит ли она конкуренцию энергонезависимым модулям памяти на основе ферромагнетиков, стоимость которых остается пока высокой.