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

在ITMO任職的Valentin Milichko和Nikita Kulachenkov

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，俄羅斯圣光機大學(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框架的全光學(xué)開關(guān)，該金屬有機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框架（metal-organic framework，MOF）。“這是一類結(jié)合了晶格結(jié)構(gòu)物質(zhì)和有機化合物特性的功能材料。”他們在ITMO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，而對于有機化合物來說，大量的化學(xué)鍵使它們能夠進行不同的化學(xué)反應(yīng)，可充當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展到了化學(xué)性質(zhì)上，同時還擴展到了復(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，這個過程通常要經(jīng)過一段相對較長的時間，從幾分鐘到幾天不等，這限制了MOF晶體的實際應(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-法國實驗室提出的。該實驗室由ITMO主導(dǎo)，國際科學(xué)家小組成員來自俄羅斯、法國和荷蘭。小組成員決定進行一場測試，確認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，但沒有人想到當暴露在光線時，它的特性也就是其結(jié)構(gòu)，會發(fā)生重大變化。”

HKUST-1金屬有機框架在光學(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，“切換時間達到了幾十毫秒。這比現(xiàn)有的基于MOF的有機系統(tǒng)提供的效果要高出兩到三倍。”

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)。“在我們的論文中，證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。”Kulachenkov說道。

他補充說道：“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)計在光子上運行的計算元件將更快、更有效地工作，最重要的是，能耗更低。但想要實現(xiàn)這一目標，我們需要解決一系列理論和工程問題，其中之一就是實現(xiàn)可靠、節(jié)能和低成本的光控制。”

“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)。”