Hvordan materialevidenskab vil bestemme fremtiden for den menneskelige civilisation

En af de ekstraordinære egenskaber ved mikroelektronikrevolutionen er dens evne til at skalere, en featured indfanget af Moores lov. Det har ført til en hurtig og massiv stigning i computerkapaciteten - nutidens top-of-the-range smartphones har den computerkraft, der svarer til verdens mest kraftfulde supercomputere fra begyndelsen af ​​1990'erne. Morgendagens smartphones bliver endnu mere kraftfulde.

Men der er et problem på vej. Efterhånden som kraftige computere bliver mere udbredte, vil mængden af ​​strøm, de bruger, stige. Hvis Moores eksponentielle lov fortsætter, vil elektroniske enheder forbruge mere end halvdelen af ​​planetens energibudget inden for et par årtier.

Det er klart uholdbart. Så hvad skal man gøre?

Den ferroelektriske domænestruktur af erbiummanganat.

I dag får vi et slags svar fra Nicola Spaldin, en materialeforsker ved ETH Zürich, i Schweiz. Spaldin argumenterer for, at materialeforskere kan redde planeten, og deres løsning vil være i form af et grundlæggende gennembrud, der ændrer den måde, vi tænker informationsteknologi på og den måde, vi bruger den på. Hun fremsætter argumentet - og peger på en eller to potentielle veje til dette gennembrud - i et meget underholdende papir.

Spaldin begynder med at vise, hvordan den menneskelige civilisation er blevet formet af gennembrud inden for materialevidenskab. Opdagelsen af ​​kompositmaterialer som fiber og harpiks tillod mennesker at fastgøre knive til pinde for at skabe knive og økser.

Den bemærkelsesværdige opdagelse af smelteteknikker, sandsynligvis i stenalderkeramikovne, førte til bronze- og jernalderen. Det forårsagede radikale ændringer i landbruget og førte til etableringen af ​​byer og endda lande. Metalteknologi førte også til vigtige ændringer i våbenteknologi og i sidste ende, omkring 4.000 år senere, til den industrielle revolution.

Senere førte opdagelsen af ​​elektronen til udviklingen af ​​vakuumrøret, faststoftransistoren og til mikroelektronik generelt. Det ultrarene silicium, der kræves til moderne elektronik, blev oprindeligt udviklet til højfrekvente radarmodtagere i Anden Verdenskrig.

Hvert af disse gennembrud inden for materialevidenskab ændrede verden og den måde, vi interagerer med den på. Men ingen af ​​dem var planlagte, og meget om den livsstil, der gik forud for dem, gik tabt, da disse ændringer indtraf.

Spaldin hævder, at noget lignende vil være nødvendigt for at overvinde siliciumenergikrisen. Vi kan ikke fortsætte med silicium, så hvad skal erstatte det?

En mulighed kan komme fra Spaldins egen forskning i multiferroics - materialer, der har både ferroelektriske og ferromagnetiske egenskaber. Normalt er den eneste måde at ændre et materiales magnetiske egenskaber på med et magnetfelt. Men Spaldin og andre har vist, hvordan man ændrer de magnetiske egenskaber af multiferroics med elektriske felter.

Det har væsentlige konsekvenser. En stor del af silicium-baseret informationsbehandling og -lagring er afhængig af magnetiske egenskaber, der skal manipuleres med magnetiske felter. Evnen til at gøre det mere effektivt med elektriske felter er potentielt transformerende. At erstatte magnetfelterne i vores eksisterende magnetisme-baserede teknologier med elektriske felter giver en enorm mulighed for energibesparelser, miniaturisering og effektivitet, siger hun.

Multiferroics har andre nyttige egenskaber. Inde i disse materialer kan ferroelektriske dipoler opstilles med forskellige orienteringer. Dipoler, der er justeret, danner områder kaldet domæner, og grænserne mellem disse domæner viser sig at være interessante.

Spaldin siger, at disse grænser danner ledende kanaler, der kan flyttes og omarrangeres ved hjælp af elektriske felter. Dette har potentiel anvendelse i nye hukommelses- eller informationsbehandlingsarkitekturer, siger hun.

Overfladen af ​​disse multiferroiske materialer har også mærkelige elektroniske egenskaber, som kan manipuleres til at katalysere reaktioner såsom vandspaltning.

Vores nye multiferroiske materialer er klar til at muliggøre nye enhedsparadigmer og til gengæld helt nye måder at designe teknologier på, siger hun. Måske er vi ved at gå ind i en ny multiferroisk tidsalder?

Væk ville være vores afhængighed af silicium, og i stedet vil vi være afhængige af en industri, der producerer erbiummanganat eller yttriummanganat eller bismuthferrit og en ny generation af yderst energieffektive informationsbehandlingsenheder.

Spaldin holder ikke vejret. Der er mange faktorer, der bestemmer teknologiens fremtid og ingen måde at forudsige, hvordan de vil udvikle sig. Multiferroics er en mulighed, men der er helt sikkert mange andre.

Og dette er hendes hovedpointe. Den historie viser tydeligt, at den langsigtede fremtid aldrig er en ligefrem ekstrapolering af i dag. I stedet ændrer forstyrrende ideer verden. Og nøglen er at skabe et miljø, hvor denne forstyrrelse kan ske.

Ideen om, at materialeforskere vil skabe denne revolution, er dog noget tungen i kinden. Det vil selvfølgelig være fysikere, der udfører det vigtige arbejde (hoste).

Hun afslutter sit argument med en lidenskabelig bøn til regeringer, finansieringsorganer og universitetsadministratorer.

De sande gennembrud, der vil ændre historiens gang, vil ikke komme fra initiativer til at forbedre eksisterende materialer eller enheder, eller at fremme teknologier, der allerede er blevet identificeret, siger hun. I stedet vil de komme fra off-beat individer eller små hold af fundamentale forskere, der skubber grænserne for viden i retninger, som der endnu ikke er en ansøgning om.

Grundforskning vil med andre ord betale sig i sølvdollar - hvis den plejes omhyggeligt.

Ref: arxiv.org/abs/1708.01325 : Fundamental Materials Research and the Course of Human Civilization

skjule