基于金屬有機(jī)框架的開關(guān)可支持超快存儲

ITMO的科學(xué)家表示，基于金屬有機(jī)框架的開關(guān)可支持超快存儲。

在ITMO任職的Valentin Milichko和Nikita Kulachenkov

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，俄羅斯圣光機(jī)大學(xué)（ITMO）的科學(xué)家表示，他們已向外界展示了如何利用飛秒激光制造基于金屬有機(jī)框架的全光學(xué)開關(guān)，該金屬有機(jī)框架通常能夠在科學(xué)儀器中合成，且可用于化學(xué)氣體吸收。目前該項(xiàng)研究已發(fā)表在期刊Angewandte Chemie（《應(yīng)用化學(xué)》國際版）。

Valentin Milichko和Nikita Kulachenkov的研究小組表示，多年來科學(xué)界一直在研究金屬有機(jī)框架（metal-organic framework，MOF）?！斑@是一類結(jié)合了晶格結(jié)構(gòu)物質(zhì)和有機(jī)化合物特性的功能材料?！彼麄冊贗TMO公告中指出，“晶格結(jié)構(gòu)物質(zhì)的特性是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而對于有機(jī)化合物來說，大量的化學(xué)鍵使它們能夠進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)，可充當(dāng)催化劑或用于氣體吸收。”

某種程度上，科學(xué)家們不僅把注意力擴(kuò)展到了化學(xué)性質(zhì)上，同時(shí)還擴(kuò)展到了復(fù)雜材料的光學(xué)性質(zhì)上，ITMO的科學(xué)家們說道。“如果在其結(jié)構(gòu)中加入光學(xué)活性有機(jī)分子，它們會與光發(fā)生不同的相互作用。如果用激光照射，分子會重新排列，并且變得不透明和異構(gòu)化。”然而，這個(gè)過程通常要經(jīng)過一段相對較長的時(shí)間，從幾分鐘到幾天不等，這限制了MOF晶體的實(shí)際應(yīng)用。

在Angewandte Chemie期刊上發(fā)表的論文，其基礎(chǔ)思想是由ITMO大學(xué)教授Valentin Milichko領(lǐng)導(dǎo)的物理與工程學(xué)院俄羅斯-法國實(shí)驗(yàn)室提出的。該實(shí)驗(yàn)室由ITMO主導(dǎo)，國際科學(xué)家小組成員來自俄羅斯、法國和荷蘭。小組成員決定進(jìn)行一場測試，確認(rèn)是否有可能控制的不是特殊MOF、而是早已在化工行業(yè)中常見的MOF的光學(xué)特性。

“我們最終決定，為什么不用一組MOF來證明其在如壓力、溫度等外部刺激下改變其結(jié)構(gòu)的特性呢？”ITMO大學(xué)的初級研究員、論文作者之一Nikita Kulachenkov解釋道，“在這些金屬有機(jī)框架中，有HKUST-1（均苯三甲酸銅）。雖然對它的氣體吸收研究已非常充分，但沒有人想到當(dāng)暴露在光線時(shí)，它的特性也就是其結(jié)構(gòu)，會發(fā)生重大變化?！?/p>

HKUST-1金屬有機(jī)框架在光學(xué)開關(guān)領(lǐng)域潛力無限

光子數(shù)量減少百倍

“通過MOF的光子數(shù)量減少了約100倍。”Nikita Kulachenkov解釋說道，“切換時(shí)間達(dá)到了幾十毫秒。這比現(xiàn)有的基于MOF的有機(jī)系統(tǒng)提供的效果要高出兩到三倍?！?br />
科學(xué)家們對于這種變化的解釋如下：紅外激光產(chǎn)生的飛秒級沖擊足以蒸發(fā)金屬有機(jī)框架中的水分，導(dǎo)致MOF對光線的透明度降低。

但是一旦光線消失，框架便會重新吸收空氣中的水分子，恢復(fù)到初始狀態(tài)?！霸谖覀兊恼撐闹校C明了隨著濕度的增加，例如，將晶體放入水中，開關(guān)效應(yīng)會發(fā)生地更快?！盞ulachenkov說道。

他補(bǔ)充說道：“現(xiàn)在全球的物理學(xué)家、工程師和程序員對光學(xué)存儲元件前景的談?wù)撛絹碓蕉唷ｎA(yù)計(jì)在光子上運(yùn)行的計(jì)算元件將更快、更有效地工作，最重要的是，能耗更低。但想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要解決一系列理論和工程問題，其中之一就是實(shí)現(xiàn)可靠、節(jié)能和低成本的光控制?！?br />
“如今所有的數(shù)字電子產(chǎn)品都是建立在觸發(fā)器之上。它們是在兩位二進(jìn)制之間切換的器件。對于未來可能取代我們電子設(shè)備的光學(xué)設(shè)備，我們也需要一種特殊的開關(guān)。”