Nanoteknologiens tilstand

For tre år siden, da Rice University-kemikeren James Tour lancerede sin nanoteknologi-startup for investorer, havde han svært ved at få nogen til at lytte - på trods af sin track record som en af ​​verdens mest dygtige eksperter inden for nanovidenskab. I dag siger Tour, at de samme investorer alle er ører. Efter at have arbejdet i dette område i 13 år og fået folk til at sige: Det er en kage i himlen. Det kommer aldrig til at fungere,' det er glædeligt at se noget validering fra investeringsmiljøet, siger han.

At kalde det noget validering er mildt sagt. Virksomheden Tour, der var medstiftet i 1999, Molecular Electronics, var en af ​​de første, der forsøgte at kommercialisere videnskabelige gennembrud inden for nanoelektronik. Men alene i løbet af det sidste år, hvor fremskridt kom hurtigere end næsten nogen havde forudset - og med venturekapitalister, der pludselig var interesserede - er der dannet snesevis af nanoteknologiske virksomheder, bakket op af hundredvis af millioner i investeringer.

Mens Molecular Electronics planlægger at opbygge computerhukommelse ved hjælp af individuelle molekyler til at gemme informationsbidder, sigter andre mod ultrafølsomme biologiske sensorer eller fladskærme eller nanoskopiske lasere. Fælles for disse bestræbelser er en ambition om at bruge komponenter blot nanometer (milliarddele af en meter) i størrelse til at erstatte konventionel elektronik. Tingene er gået amok i det sidste år, siger Paul Weiss, kemiker ved Pennsylvania State University. Vi er meget længere, end vi troede, vi ville være for et år siden.

Nanoteknologi vil sandsynligvis påvirke store sektorer af økonomien, fra bioteknologi og sundhedspleje til energi. Men hvis forskere som Tour og Weiss har ret, vil den største påvirkning komme fra nanoelektronikken. For elektronikfremstilling er løftet mindre, hurtigere og billigere produkter, end konventionelle tilgange nogensinde kunne opnå. Og fremskridt er kommet med bemærkelsesværdig hastighed. I 1998 kæmpede forskere for at rigge en enkelt nanoelektronisk komponent op: et molekyle, der fungerede som en rudimentær switch. Forskerhold forbinder nu snesevis af disse komponenter i nanoskala og ser på det næste trin: hvordan man samler hele enheder, såsom hukommelseschips.

I dag har siliciummikrochips funktioner så små som 130 nanometer. Men det bliver dyrt og vanskeligt at fortsætte med at krympe siliciumchips. På et tidspunkt vil silicium løbe tør for damp, siger John Rogers, direktør for nanoteknologisk forskning ved Lucent Technologies 'Bell Labs og medlem af 1999 TR100. Du får brug for noget andet. Noget, siger Rogers, som transistorer på størrelse med enkelte molekyler. Selvom der stadig er mindst et årti fra kommercialisering, er chips bygget ved hjælp af disse molekylære transistorer industriens bedste håb for at bygge hurtigere, billigere computere langt ind i dette århundrede.

Med den elektronik, vi taler om, skal vi lave en computer, der ikke bare passer i dit armbåndsur, ikke bare i en knap på din skjorte, men i en af ​​fibrene i din skjorte, siger Philip Kuekes, en computerarkitekt hos Hewlett-Packard Laboratories. Kuekes og hans kolleger designer kredsløb baseret på vinkelrette arrays af bittesmå ledninger, forbundet ved hvert kryds af molekylære transistorer. Ved midten af ​​årtiet, siger Kuekes, vil Hewlett-Packard demonstrere et logisk kredsløb omtrent lige så kraftfuldt som siliciumbaserede kredsløb omkring 1969. Vi forsøger at genopfinde det integrerede kredsløb - med dets logik og hukommelse og sammenkoblinger - med en konsistent molekylær fremstillingsproces, siger Kuekes.

Længe før den første computer med skjortetråd starter op, vil virksomheder imidlertid begynde at integrere nanoelektroniske komponenter, herunder bittesmå ledninger og ultratæt computerhukommelse, i konventionel siliciumelektronik. Hewlett-Packard og Molecular Electronics, for eksempel, planlægger begge at have prototypehukommelsesenheder klar allerede i 2004. Enheder, der gemmer en smule data i et enkelt molekyle, kan give tusindvis af gange mere lagertæthed end den elektroniske hukommelse, der i øjeblikket bruges i computere .

Forskere arbejder også med nanoelektronik for at udvikle nye biologiske og kemiske sensorer, som ikke er mulige med konventionel teknologi. University of California, Berkeley, kemiker Peidong Yang er en forsker, der udvikler sådanne sensorer fra silicium nanotråde. Yang forklarer, at kontakt med selv et enkelt molekyle ændrer ledningernes elektroniske tilstand. Forskere kan måle denne ændring for at identificere ukendte molekyler med henblik på diagnose eller patogendetektion.

For fuldt ud at realisere nanoelektronikkens muligheder skal forskerne imidlertid rydde flere store forhindringer. For det første skal de bygge robuste nanoelektroniske komponenter, der fungerer lige så fuldt, pålideligt og effektivt som silicium - ingen lille opgave, givet halvlederens 50-årige forspring. Sidste efterår, Bell Labs' Hendrik Schn gjort betydelige fremskridt mod dette mål ved at fremstille en molekylær transistor, der matcher dens siliciumfætre i én nøglekarakteristik: forstærkning eller forstærkning af strøm, når den passerer gennem transistoren. Uden denne forstærkning falmer det elektriske signal hurtigt, og flere enheder kan ikke arbejde sammen som komplekse logiske kredsløb. Vi kan ikke kun skifte med denne enhed, men forstærke strømmen; derfor er disse transistorer velegnede til at være byggesten i større kredsløb, siger Schn.

Men disse små prøvestykker er kun halvdelen af ​​kampen, siger nobelpristageren Richard Smalley, professor i fysik ved Rice. Man skal være i stand til at udvikle måder at få [brikkerne] til at gå af egen vilje, hvor man vil have dem. Milliarder, endda billioner, af molekylære transistorer kunne passe på en chip - alt for mange til at arrangere en efter en. Tilføjer Mark Ratner, professor i kemi ved Northwestern University, Du ønsker, at dette skal blive så automatisk, at enhver bozo kan gøre det.

En af de mest lovende tilgange kaldes selvsamling og lytter tilbage til biologi. Naturen gør allerede et vidunderligt stykke arbejde med at samle molekyler og andre komponenter i nanoskala i komplekse mønstre, siger Angela Belcher , en kemiker ved University of Texas i Austin. Belcher dyrker flere generationer af vira og bakterier og søger at udvikle egenskaber såsom proteinhåndtag, der vil binde med kulstofnanorør - rørlignende molekyler værdsat for deres styrke og elektriske egenskaber - og deponere dem i mønstre, der er nyttige til nanoelektronik. At lære at dyrke nanoelektronik på denne måde kan tage et stykke tid, siger Belcher. Men en funktionel nanoelektronisk enhed virker meget tættere på, end den skulle være for et par år siden.

Det er dette nye løfte, der har sat gang i udslætet af startups på området. Mange VC'er og investorer leder efter de næste store bølger, siger Steven Jurvetson, en venturekapitalist hos San Francisco-baserede Draper Fisher Jurvetson og medlem af 1999 TR100. Nanoteknologi er en af ​​de store teknologimuligheder med bred anvendelighed. Jurvetson tæller i sin virksomheds portefølje tre nanoelektronikkoncerner. Og hans firma er ikke alene. Ifølge VentureSource investerede venturekapitalister over 100 millioner dollars i nanotek-relaterede startups i 2001. Men, siger Jurvetson, investorer skal passe på. Præfikset nano' burde ikke følge den samme blinde entusiasme, som .com'-suffikset gjorde, siger han.

Faktisk har konventionelle mikroelektronikvirksomheder i øjeblikket intet at være bange for. Men de seneste fremskridt inden for nanoteknologi har mange forskere overbevist om, at de har en fundamentalt ny teknologi på deres hænder, en som i høj grad vil udvide elektronikens muligheder. En vigtig ting at huske, siger Bell Labs' Rogers, er, at de mest ventede applikationer måske ikke er dem, der i sidste ende hjælper med at ændre, hvordan folk lever. De mennesker, der opfandt transistoren, forestillede sig nok ikke en bærbar computer, siger han. Det er bare svært at forudse disse ting.

Nanoelektronik er meget i sin vorden, og forskere som Schn og Tour erkender frit, at de stadig er usikre på, hvor det vil have sin indledende effekt. Men i det mindste er folk nu opmærksomme på - og endda investerer i - mulighederne.

skjule