隨著人工智能、云計算、流媒體等技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)規(guī)模迎來爆炸式增長，對存儲設(shè)備的大小、密度等都提出了更高要求。近期，英國曼徹斯特大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)的研究團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一種新型的單分子磁體研究成果，它可以在100開爾文(約零下173攝氏度)的條件下保持磁記憶，并使理論存儲密度達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)的100倍以上。該研究的通訊作者之一、曼徹斯特大學(xué)無機化學(xué)教授大衛(wèi)·米爾斯在接受本報記者采訪時表示，該成果有望助力開發(fā)更加高密度的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。

　　傳統(tǒng)硬盤依賴磁性材料中大量原子組成的磁化區(qū)域存儲數(shù)據(jù)，并通過改變磁場方向來表示二進制信息。而單分子磁體通過量子自旋效應(yīng)實現(xiàn)存儲，單個分子即可獨立存儲信息，無須依賴鄰近分子，這就大大拓展了存儲的容量。“此次新型單分子磁體催生的新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在每平方厘米面積上存儲約3TB數(shù)據(jù)。”該研究的共同通訊作者、澳大利亞國立大學(xué)計算與理論化學(xué)教授尼古拉斯·奇爾頓表示，“這相當(dāng)于將50萬個短視頻裝進郵票大小的硬盤中。”

　　盡管單分子磁體的理論性能十分優(yōu)越，但通常只有在極低的工作溫度下才能保持磁記憶，這樣苛刻的條件嚴(yán)重制約著實際應(yīng)用。為突破這一限制，此次研究團隊設(shè)計出一種獨特的分子結(jié)構(gòu)：一個稀土元素鏑原子被兩個氮原子夾在中間，三者幾乎呈一條直線排列。以往，這類分子結(jié)構(gòu)極易發(fā)生彎曲，對磁體的磁能力造成破壞。為解決這一難題，研究人員在分子中引入烯烴化學(xué)基團，其作用就像一個“分子別針”，通過錨定鏑原子來固定線性分子構(gòu)型。“在這個新分子中，烯烴基團與鏑原子之間只有微弱的相互作用，但它恰到好處地將另一配體推擠到接近線性的位置。”奇爾頓告訴記者，這種線性構(gòu)型可以顯著提高單分子磁體的磁性能，并將磁記憶溫度突破至100開爾文，比此前提高了20開爾文，這意味著可以通過液氮冷卻來維持磁體的數(shù)據(jù)存儲能力。

　　“單分子磁體最具前景的應(yīng)用之一是用于高密度數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。”米爾斯表示，雖然目前該單分子磁體尚未實現(xiàn)室溫運行，但理論上已具備在大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的可行性。下一步，還需要研究證明當(dāng)這些分子以陣列形式沉積在固體基底表面時，能夠繼續(xù)保持磁特性。同時，還需要開發(fā)新的讀寫工藝，以便在納米尺度上對磁信息進行編碼和讀取。

　　“設(shè)計出兼具高工作溫度和高分子穩(wěn)定性的單分子磁體，將是未來合成化學(xué)和磁性材料的熱點研究方向。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院副院長楊上峰向記者介紹，當(dāng)前多國研究團隊正致力于提升單分子磁體性能、挖掘其應(yīng)用潛力。2024年，中科大團隊利用特殊的富勒烯碳籠(由60個碳原子組成的球形分子結(jié)構(gòu))捕獲并穩(wěn)定鏑原子，有效提高了分子穩(wěn)定性，為設(shè)計具有特殊結(jié)構(gòu)的高性能單分子磁體提供了思路。

　　未來，“分子設(shè)計師們”將以現(xiàn)有成果為基礎(chǔ)，繼續(xù)攀登新的技術(shù)高峰。“我們正在尋找新的配體組合，以提高電荷密度并實現(xiàn)更加線性的分子構(gòu)型。”奇爾頓說，“化學(xué)空間中有著幾乎無限的可能性！”