Ích lợi của chất Prussian Blue trong việc lưu trữ thông tin ở cấp độ nguyên tử

Trong họ chất Prussian blue, có một hợp chất có khả năng hoạt động như một công tắc: ban đầu nó không có từ tính, nhưng nó có thể trở nên từ tính nhờ vào tác động của ánh sáng và trở vể trạng thái ban đầu của mình nhờ vào sự nung nóng.

Các nhà khoa Học viện hóa học phân tử và chất liệu Orsay và Phòng thí nghiệm hóa học vô cơ và vật liệu phân tử đã chứng minh được rằng sự thay đổi tính chất này là do sự biến đổi của tất cả vị trí của các nguyên tử, gây ra bởi ánh sáng. Những hợp chất có khả năng ghi nhớ thông tin nhị phân như thế, có thể được sử dụng làm các bit lưu trữ trong các máy tính tương lai.

Một chất có thể chuyển đổi linh hoạt (Ảnh: nature.com)

Trong lĩnh vực máy tính, nhu cầu của xã hội cần dung lượng lữu trữ thông tin đang gia tăng ngày càng nhanh và đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của công nghệ nano: Lưu trữ một lượng lớn thông tin vô cùng lớn trong các đĩa càng nhỏ càng tốt và càng nhanh càng tốt. Chiếc đĩa cứng đầu tiên, RAMAC, do IBM tạo ra vào 1954, nặng 1 tấn và lữu trữ được 5 magabyte.

Trong các máy tính xách tay và các đầu đọc MP3 hiện nay, các đĩa cứng lưu trữ được vài gigabyte và chỉ nặng một vài trăm hay thậm chí là vài chục gram. Để thu nhỏ hơn nữa các thiết bị này và tạo cho người sử dụng nhiều sự lựa chọn hơn, nhiều nhà khoa học đang chế tạo những chất liệu mới có thể chuyển đổi linh hoạt, ví dụ như những chất liệu có thể chuyển từ một trạng thái (OFF = 0) sang trạng thái khác (ON=1) nhờ vào sự tác động của xung lực từ bên ngoài (sự thay đổi nhiệt độ, áp lực, ánh sáng, các xung điện hoặc từ tính. Bằng cách này, các nhà hóa học của hai nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ thành công trong việc lưu trữ thông tin ở cấp độ nguyên tử.

Họ đang nghiên cứu chất Prussian blue. Bằng cách thay thế một số các nguyên tử này hoặc sắt bằng coban, họ biến đổi chất màu được biến đến từ thời cổ xưa này thành hợp chất có thể hoạt động như một công tắc: khi được chiếu sáng bằng ánh sáng đỏ ở nhiệt độ thấp (-150°C), hợp chất này chuyển từ trạng thái không từ tính (OFF) sang trạng thái từ tính (ON) theo một cách ổn định qua thời gian. Nếu nó được nung nóng, nó sẽ trở lại trạng thái tắt. Sự biến đổi trạng thái này là do sự chuyển đổi của một electron từ coban sang sắt (và ngược lại) bằng cách hấp thụ ánh sáng hoặc năng lượng nhiệt.

Ngày nay, bằng cách sử dụng phóng xạ synchrotron, các nhà hóa học đã quan sát sự biến đổi của tất cả vị trí các nguyên tử trong không gian, được tạo ra bởi sự chuyển đổi electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Khi electron đi từ nguyên tử sắt (trạng thái OFF) sang nguyên tử coban (trạng thái ON) nhờ vào ánh sáng đỏ thì các liên kết 3 chiều giữa coban, nitơ, carbon và các nguyên tử sắt mà ban đầu bị uốn cong trở nên thẳng hàng. Sự biến đổi cấu trúc này là nguyên nhân tạo ra sự tồn tại của trạng thái từ tính và tính ổn định của nó qua thời gian.

Hiểu biết ở cấp độ nguyên tử về các cơ chế liên quan đến chế độ bật tắt ON/OFF là một bước đầu tiên thiết yếu trong việc hình dung ra các chất có thể được sử dụng trong công nghiệp để lưu trữ thông tin ở tỷ lệ nguyên tử.

Các hợp chất mới này có khả năng tái sản xuất hoàn hảo chức năng lưu trữ của những thành phần truyền thống. Vì chẳng bao lâu nữa, sẽ không thể làm giảm kích cỡ của các thành phần truyền thống mà không làm mất chức năng ghi nhớ của chúng, các nhà khoa học đang tưởng tượng đến các chất liệu có thể đảm nhận và đáp ứng nhu cầu của xã hội về sự lưu trữ thông tin thu nhỏ.

Thanh Vân