日本东北大学多元物质科学研究所的小野寺希望（研究生院工学研究科）、出仓骏助教、芥川智行教授、佐藤铁助教，该校工学部本科生增子美侑（研究当时），以及金泽大学纳米材料研究所的水野元博教授与该校理工研究域物质化学系的栗原拓也助教等人的联合研究团队，首次在既能像固体般保持形态、内部分子又能像液体般旋转的物质——“塑晶”中，捕捉到了施加电场会改变分子的“取向”及“形状”，且该状态能够保持的独特电响应现象。该成果如同用电信号来控制分子的“取向”和“形状”这两个开关，为实现比传统存储器能够处理更多信息的多值存储器开辟了道路。相关研究成果已发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
图1. 展示塑晶特征的概念图。塑晶中，分子的质心位置像固体一样有序，而分子取向像液体一样无序，并进行着剧烈的旋转运动。相对地，液晶则像固体一样分子取向有序，而分子位置像液体一样无序，与塑晶呈现出对照性的状态。（供图：东北大学）
目前大多数存储器通过0或1所表示的两种状态（二值）来存储信息，但如果能在一个元件中区分更多状态（例如0、1、2、3四值等），则可以飞跃性地提升存储密度。研究团队聚焦于作为此类多值存储器材料候选的塑晶。该物质呈现一种虽处于固态，但构成分子在晶格中能相对自由地旋转的兼具固体与液体性质的独特状态。这种分子的易动性虽蕴藏着对电刺激作出快速响应的可能性，但另一方面，由于分子运动过于自由，过去一直认为即便以电方式写入信息，信息也会很快消失。
此次，研究团队聚焦于易获取且结构简单的有机分子“琥珀腈（SN）”的塑晶相，在对SN施加外部电压时的电响应进行精密测量后，观察到了电极化强度随电压施加方式不同而不同的滞后现象。这一现象提示该物质存储了所施加电压的历史，成为迈向存储器功能应用的第一步。
SN的软粘性塑晶相所表现的滞后现象与通常的铁电体不同，呈现出具有两阶段结构的双重P-E滞后回线这一极为罕见的形态。研究团队对这种具有双面性的电响应的起源进行详细研究后发现，SN分子所具有的两种不同自由度参与了这一现象。其一是分子整体取向（定向）随电场发生变化，另一个是分子内部结构变化的形状（构象）改变。SN分子呈细长形，却可形成部分弯曲的顺式（Gauche，有极性）与完全伸展的反式（Trans，非极性）两种形状（构象异构体）。研究发现，当施加外部电场时，这些分子不仅取向趋于一致，分子的形状也会发生变化，二者的组合引发了双重滞后这一独特现象的产生。
换言之，该物质具备针对电信号的“分子取向改变”开关与“分子形状改变”开关的两种机制，且通过这些机制的阶段性响应，显示出区分多种状态的可能性。
今后，通过进一步优化材料设计，有望推动该物质作为基于新原理的器件实现实用化。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of the American Chemical Society
论文：Ferroelectric-like Polarization Switching in Plastic Crystalline Succinonitrile
DOI：10.1021/jacs.5c04778
