Der Stand der Nanotechnologie

Als der Chemiker der Rice University, James Tour, vor drei Jahren sein Nanotechnologie-Startup vor Investoren vorstellte, hatte er es schwer, jemanden zum Zuhören zu bewegen – trotz seiner Erfolgsbilanz als einer der weltweit versiertesten Experten auf dem Gebiet der Nanowissenschaften. Heute sagt Tour, dass dieselben Investoren ganz Ohr sind. Nachdem ich 13 Jahre in diesem Bereich gearbeitet habe und die Leute sagen lassen: Das ist Zukunftsmusik. Es wird nie funktionieren“, sagt er.

Um es eine Bestätigung zu nennen, ist es milde ausgedrückt. Das 1999 von Tour mitbegründete Unternehmen Molecular Electronics war eines der ersten Unternehmen, das wissenschaftliche Durchbrüche in der Nanoelektronik kommerzialisieren wollte. Aber allein im letzten Jahr haben sich Dutzende von Nanotechnologie-Unternehmen gegründet, die durch Investitionen in Millionenhöhe unterstützt wurden, da die Fortschritte schneller kamen, als fast jeder vorhergesagt hatte - und mit plötzlichem Interesse von Risikokapitalgebern - Dutzende von Nanotechnologieunternehmen.

Während Molecular Electronics plant, Computerspeicher zu bauen, in denen einzelne Moleküle zum Speichern von Informationsbits verwendet werden, zielen andere auf ultrasensible biologische Sensoren oder Flachbildschirme oder nanoskopische Laser ab. Gemeinsam ist diesen Bemühungen die Ambition, Bauteile im Nanometerbereich (milliardstel Meter) zu verwenden, um konventionelle Elektronik zu ersetzen. Die Dinge seien im letzten Jahr verrückt geworden, sagt Paul Weiss, Chemiker an der Pennsylvania State University. Wir sind viel weiter, als wir vor einem Jahr dachten.



Die Nanotechnologie wird wahrscheinlich weite Sektoren der Wirtschaft beeinflussen, von der Biotechnologie über das Gesundheitswesen bis hin zur Energie. Aber wenn Wissenschaftler wie Tour und Weiss Recht haben, wird die Nanoelektronik den größten Einfluss haben. Für die Elektronikfertigung verspricht man sich kleinere, schnellere und billigere Produkte, als es herkömmliche Ansätze jemals erreichen könnten. Und Fortschritte kamen mit bemerkenswerter Geschwindigkeit. 1998 hatten die Forscher Mühe, eine einzelne nanoelektronische Komponente aufzubauen: ein Molekül, das als rudimentärer Schalter fungierte. Forscherteams verbinden jetzt Dutzende dieser nanoskaligen Komponenten und suchen den nächsten Schritt: wie man ganze Geräte wie Speicherchips zusammenbaut.

Heutzutage haben Silizium-Mikrochips Merkmale von nur 130 Nanometern. Aber es wird teuer und schwierig, Siliziumchips weiter zu verkleinern. Irgendwann wird Silizium die Puste ausgehen, sagt John Rogers, Direktor der Nanotechnologie-Forschung bei Lucent Technologies' Bell Labs und Mitglied des TR100 von 1999. Du wirst etwas anderes brauchen. Etwas, sagt Rogers, wie Transistoren von der Größe einzelner Moleküle. Obwohl noch mindestens ein Jahrzehnt nach der Kommerzialisierung, sind Chips, die mit diesen molekularen Transistoren gebaut wurden, die beste Hoffnung der Branche, schnellere und billigere Computer bis weit in dieses Jahrhundert hinein zu bauen.

Mit der Elektronik, über die wir sprechen, werden wir einen Computer bauen, der nicht nur in Ihre Armbanduhr passt, nicht nur in einen Knopf Ihres Hemdes, sondern in eine der Fasern Ihres Hemdes, sagt Philip Kuekes. Computerarchitekt bei Hewlett-Packard Laboratories. Kuekes und seine Kollegen entwerfen Schaltungen, die auf senkrechten Anordnungen winziger Drähte basieren, die an jeder Kreuzung durch molekulare Transistoren verbunden sind. Bis Mitte des Jahrzehnts, so Kuekes, wird Hewlett-Packard eine Logikschaltung demonstrieren, die ungefähr so ​​leistungsfähig ist wie etwa 1969 siliziumbasierte Schaltungen Molekularer Herstellungsprozess, sagt Kuekes.

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Lange bevor der erste hemdsärmelige Computer hochfährt, werden Unternehmen jedoch damit beginnen, nanoelektronische Komponenten, darunter winzige Drähte und ultradichten Computerspeicher, in konventionelle Siliziumelektronik zu integrieren. Hewlett-Packard und Molecular Electronics zum Beispiel planen beide, bereits 2004 Prototypen von Speichergeräten fertigzustellen. Geräte, die ein paar Daten in einem einzigen Molekül speichern, könnten eine tausendmal höhere Speicherdichte bieten als die derzeit in Computern verwendeten elektronischen Speicher .

Forscher arbeiten auch mit Nanoelektronik, um neue biologische und chemische Sensoren zu entwickeln, die mit konventioneller Technologie nicht möglich sind. University of California, Berkeley, ist der Chemiker Peidong Yang einer der Forscher, der solche Sensoren aus Silizium-Nanodrähten entwickelt. Yang erklärt, dass der Kontakt mit nur einem einzigen Molekül den elektronischen Zustand der Drähte ändert. Forscher können diese Veränderung messen, um unbekannte Moleküle zu Diagnosezwecken oder zum Nachweis von Krankheitserregern zu identifizieren.

Um die Möglichkeiten der Nanoelektronik voll auszuschöpfen, müssen Forscher jedoch mehrere große Hürden nehmen. Erstens müssen sie robuste nanoelektronische Komponenten bauen, die so vollständig, zuverlässig und effizient wie Silizium funktionieren – keine leichte Aufgabe angesichts des 50-jährigen Vorsprungs des Halbleiters. Letzten Herbst, Bell Labs‘ Hendrik Schn machte erhebliche Fortschritte in Richtung dieses Ziels, indem sie einen molekularen Transistor herstellte, der seinen Silizium-Vettern in einer Schlüsseleigenschaft entspricht: Verstärkung oder Verstärkung des Stroms, wenn er durch den Transistor fließt. Ohne diese Verstärkung verblasst das elektrische Signal schnell und mehrere Geräte können nicht als komplexe Logikschaltungen zusammenarbeiten. Wir können mit diesem Gerät nicht nur schalten, sondern auch den Strom verstärken; Daher eignen sich diese Transistoren als Bausteine ​​für größere Schaltungen, sagt Schn.

Aber diese kleinen Teststücke sind nur die halbe Miete, sagt Nobelpreisträger Richard Smalley, Professor für Physik in Rice. Man muss in der Lage sein, Wege zu entwickeln, die [Stücke] aus eigenem Antrieb dorthin zu bringen, wo man sie haben möchte. Milliarden, sogar Billionen von molekularen Transistoren könnten auf einen Chip passen – viel zu viele, um sie einzeln anzuordnen. Mark Ratner, Professor für Chemie an der Northwestern University, fügt hinzu: „Sie möchten, dass dies so automatisch wird, dass es jeder Bozo kann.

Einer der vielversprechendsten Ansätze heißt Selbstorganisation und geht auf die Biologie zurück. Die Natur leistet bereits eine wunderbare Arbeit beim Zusammenbau von Molekülen und anderen nanoskaligen Komponenten in komplexen Mustern, sagt Angela Belcher , Chemiker an der University of Texas at Austin. Belcher züchtet mehrere Generationen von Viren und Bakterien, um Eigenschaften wie Proteingriffe zu entwickeln, die sich an Kohlenstoffnanoröhren – röhrenförmige Moleküle, die für ihre Stärke und elektrischen Eigenschaften geschätzt werden – binden und sie in Mustern ablagern, die für die Nanoelektronik nützlich sind. Es kann eine Weile dauern, zu lernen, wie man Nanoelektronik auf diese Weise anbaut, sagt Belcher. Aber ein funktionsfähiges nanoelektronisches Gerät scheint viel näher zu sein, als es vor ein paar Jahren sein sollte.

wie man intelligenten Staub zerstört

Es ist dieses neue Versprechen, das den Ansturm der Startups in diesem Bereich ausgelöst hat. Viele VCs und Investoren suchen nach den nächsten großen Wellen, sagt Steven Jurvetson, Risikokapitalgeber bei Draper Fisher Jurvetson aus San Francisco und Mitglied des TR100 1999. Nanotechnologie ist eine der großen technologischen Möglichkeiten mit breiter Anwendbarkeit. Jurvetson zählt im Portfolio seines Unternehmens drei Nanoelektronik-Konzerne. Und seine Firma ist nicht allein. Laut VentureSource investierten Risikokapitalgeber 2001 über 100 Millionen US-Dollar in Startups mit Bezug zur Nanotechnologie. Aber laut Jurvetson sollten Investoren auf der Hut sein. Das Präfix „nano“ sollte nicht der gleichen blinden Begeisterung folgen wie das Suffix „.com“, sagt er.

Tatsächlich haben konventionelle Mikroelektronikunternehmen derzeit nichts zu befürchten. Aber die jüngsten Fortschritte in der Nanotechnologie haben viele Forscher davon überzeugt, dass sie eine grundlegend neue Technologie in der Hand haben, die die Möglichkeiten der Elektronik erheblich erweitern wird. Eine wichtige Sache, die man sich merken sollte, sagt Rogers von Bell Labs, ist, dass die am sehnlichsten erwarteten Anwendungen möglicherweise nicht diejenigen sind, die letztendlich dazu beitragen, die Lebensweise der Menschen zu verändern. Die Erfinder des Transistors hätten sich wahrscheinlich keinen Laptop vorgestellt, sagt er. Es ist nur schwer, diese Dinge vorherzusehen.

Die Nanoelektronik steckt noch in den Kinderschuhen, und Forscher wie Schn und Tour geben frei zu, dass sie noch unsicher sind, wo sie ihre ersten Auswirkungen haben wird. Aber zumindest achten die Leute jetzt auf die Möglichkeiten und investieren sogar in sie.

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