Как уместить целую библиотеку на одном кристалле

Сегодня существует два способа записи и хранения информации на твердых носителях. Первый, традиционный, применяется повсеместно ― например в персональных компьютерах. Второй, более «экстравагантный», использует для кодирования информации строго упорядоченное положение атомов при сверхнизких температурах. Последний способ предполагает высокое разрешение и плотность в три раза большую, чем на современных жестких дисках. Например, на одном квадратном дюйме можно записать 502 терабита информации.

Ученые же показали, что с помощью металлоорганических каркасов (Metal-Organic Frameworks, MOF) и атомно-силовой микроскопии можно добиться высоких плотностей и разрешений записи и считывания информации даже при комнатной температуре. Предлагаемый ими метод с большей вероятностью осуществим на практике, чем атомная запись данных.

«Это исследование — продолжение моей магистерской диссертации, воплотившееся в публикацию. Ее целью был поиск практического применения для уже существующих металлоорганических каркасов. Мы хотели продемонстрировать, что нанометровые слои металлоорганических каркасов могут быть использованы для хранения и записи достаточного большого объема информации на сверхмалых твердых носителях», — комментирует первый автор статьи, аспирант Нового физтеха Павел Алексеевский.

Как записать и считать данные в наномасштабе

С помощью очень тонкой иглы атомно-силового микроскопа ― кантилевера ― ученые деформировали заранее подготовленную пластинку MOF. В зависимости от способа кодировки единицей информации могут быть точки или небольшие канавы.

При сканировании исследователи использовали полуконтактный метод и все тот же кантилевер. Тонкая игла колеблется рядом с поверхностью образца, и по отклику этих колебаний можно судить о рельефе твердого носителя. Таким образом, во время чтения информации образец не повреждается, в отличие, например, от проигрывания виниловых пластинок.

Пока размеры деформаций на MOF ограничены размерами иглы атомно-силового микроскопа: диаметр в 25 нанометров. При этом ученые использовали кремниевый кантилевер, так как он достаточно твердый по сравнению с металлоорганической пластинкой и не наносит существенных повреждений образцу. А пористость и гибкость используемых MOF уменьшает хрупкость материала, и его можно деформировать на масштабах меньше толщины монослоя (0,4 нм).

«На данный момент мы лишь продемонстрировали концепт и гипотетическую возможность записи и хранения информации на металлоорганических поверхностях. В силу простоты метода литографии и его скорости записи информации он является весьма выгодным с промышленной точки зрения. Однако использование металлоорганических каркасов на базе индустриальных литографических систем еще предстоит исследовать», — отмечает Павел Алексеевский.

Как MOF помогают повысить плотность записи данных

Металлоорганические каркасы (Metal-Organic Frameworks, MOF) — это новый класс искусственных материалов, представляющих собой пористые кристаллы органо-неорганической природы. Авторы статьи использовали спроектированный каркас на основе ионов цинка и органических молекул, содержащих уротропин. Разработкой и синтезом MOF для исследования занимались ученые из Университета KAUST и Института неорганической химии имени А. В. Николаева.

Авторы статьи получали нанометровые слои MOF с помощью ультразвука. Кристаллы двумерных металлоорганических каркасов похожи на слоеный пирог: связи внутри горизонтальных слоев материала сильнее, чем между ними. Последние и разрушает ультразвук. После полученный слой нужно подготовить к работе — получить гладкую поверхность. Иначе записанное невозможно будет увидеть: деформации от тонкой иглы окажутся неотличимы от естественных неровностей. Результатом разработанной учеными для этих целей технологии стала возможность записывать 0,1 терабайта информации на одном квадратном дюйме поверхности.

Стабильность нанометровых металлоорганических каркасов во времени еще предстоит исследовать. Тем не менее уже сейчас предварительные результаты ученых показывают, что пластинки могут сохранять рабочие свойства на протяжении достаточно долгого времени.

«Большинство металлорганических каркасов чувствительны к перепадам влажности и температуры окружающей среды, что, с одной стороны, может ограничить применение каркасов в качестве материалов для записи механической информации, поскольку она может быть произвольно уничтожена. В нашем случае специфическая структура каркаса устойчива при обычных условиях на воздухе в течении года. Вообще, металлоорганические каркасы — продукты химической инженерии. То есть мы можем заранее проектировать структуры, которые будут удовлетворять жестким требованиям эксплуатации», — объясняет Павел.

Подробнее об исследовании: P. V. Alekseevskiy, S. Rzhevskiy, V. Gilemkhanova, N. K. Kulachenkov, A. Sapianik, M. Barsukova, V. P. Fedin, V. A. Milichko, Flexible Metal-Organic Frameworks for Mechanical Sub Tbyte inch^-2 Data Recording under Ambient Condition (Advanced Materials Interfaces, 2021).