211service.com
De staat van nanotechnologie
Drie jaar geleden, toen de chemicus James Tour van Rice University zijn startup op het gebied van nanotechnologie pitchte voor investeerders, had hij moeite om iemand te laten luisteren, ondanks zijn staat van dienst als een van 's werelds meest ervaren experts op het gebied van nanowetenschap. Vandaag zegt Tour dat diezelfde investeerders een en al oor zijn. Na 13 jaar in dit gebied te hebben gewerkt en mensen te laten zeggen: dat is taart in de lucht. Het zal nooit werken', het is verheugend om enige validatie van de investeringsgemeenschap te zien, zegt hij.
Om het enige validatie te noemen, is zacht uitgedrukt. Molecular Electronics, medeoprichter van Tour in 1999, was een van de eersten die wetenschappelijke doorbraken in nano-elektronica wilde commercialiseren. Maar alleen al in het afgelopen jaar, terwijl de vooruitgang sneller kwam dan bijna iedereen had voorspeld - en met durfkapitalisten die plotseling geïnteresseerd waren - hebben zich tientallen nanotech-bedrijven gevormd, ondersteund door honderden miljoenen aan investeringen.
Terwijl Molecular Electronics van plan is computergeheugen te bouwen met behulp van individuele moleculen om stukjes informatie op te slaan, richten anderen zich op ultragevoelige biologische sensoren, of platte beeldschermen of nanoscopische lasers. Wat deze inspanningen gemeen hebben, is de ambitie om componenten van slechts nanometers (miljardsten van een meter) te gebruiken om conventionele elektronica te vervangen. Het afgelopen jaar is het gek geworden, zegt Paul Weiss, een chemicus aan de Pennsylvania State University. We zijn een stuk verder dan we een jaar geleden dachten te zijn.
Nanotechnologie zal waarschijnlijk gevolgen hebben voor grote sectoren van de economie, van biotechnologie en gezondheidszorg tot energie. Maar als wetenschappers als Tour en Weiss gelijk hebben, zal de grootste impact komen van nano-elektronica. Voor de productie van elektronica is de belofte kleinere, snellere en goedkopere producten dan conventionele benaderingen ooit zouden kunnen bereiken. En de vorderingen zijn met een opmerkelijke snelheid gekomen. In 1998 hadden onderzoekers moeite om een enkele nano-elektronische component op te zetten: een molecuul dat als een rudimentaire schakelaar fungeerde. Onderzoeksteams verbinden nu tientallen van deze componenten op nanoschaal en kijken naar de volgende stap: hoe hele apparaten, zoals geheugenchips, in elkaar te zetten.
Tegenwoordig hebben siliciummicrochips eigenschappen zo klein als 130 nanometer. Maar doorgaan met het krimpen van siliciumchips wordt duur en moeilijk. Op een gegeven moment zal silicium opraken, zegt John Rogers, directeur van nanotechnologieonderzoek bij Bell Labs van Lucent Technologies en lid van de TR100 uit 1999. Je zult iets anders nodig hebben. Iets, zegt Rogers, zoals transistors ter grootte van afzonderlijke moleculen. Hoewel er nog minstens een decennium verwijderd is van de commercialisering, zijn chips die met deze moleculaire transistors zijn gebouwd, de beste hoop voor de industrie om tot ver in deze eeuw snellere, goedkopere computers te bouwen.
Met de elektronica waar we het over hebben, gaan we een computer maken die niet alleen in je polshorloge past, niet alleen in een knoop op je shirt, maar in een van de vezels van je shirt, zegt Philip Kuekes, een computerarchitect bij Hewlett-Packard Laboratories. Kuekes en zijn collega's ontwerpen circuits op basis van loodrechte reeksen van minuscule draadjes, op elk kruispunt verbonden door moleculaire transistoren. Tegen het midden van het decennium, zegt Kuekes, zal Hewlett-Packard een logisch circuit demonstreren dat ongeveer even krachtig is als op silicium gebaseerde circuits rond 1969. We proberen het geïntegreerde circuit opnieuw uit te vinden - met zijn logica en geheugen en verbindingen - met een consistente moleculair productieproces, zegt Kuekes.
Lang voordat de eerste computer met hemdsdraad opstart, zullen bedrijven echter beginnen met het integreren van nano-elektronische componenten, inclusief kleine draden en ultradicht computergeheugen, in conventionele siliciumelektronica. Hewlett-Packard en Molecular Electronics zijn bijvoorbeeld van plan om al in 2004 prototype geheugenapparaten klaar te hebben. Apparaten die een beetje gegevens in een enkel molecuul opslaan, zouden duizenden keren meer opslagdichtheid kunnen bieden dan het elektronische geheugen dat momenteel in computers wordt gebruikt .
Onderzoekers werken ook met nano-elektronica om nieuwe biologische en chemische sensoren te ontwikkelen die met conventionele technologie niet mogelijk zijn. University of California, Berkeley, chemicus Peidong Yang is een onderzoeker die dergelijke sensoren ontwikkelt van silicium nanodraden. Yang legt uit dat contact met zelfs maar een enkel molecuul de elektronische toestand van de draden verandert. Onderzoekers kunnen die verandering meten om onbekende moleculen te identificeren voor diagnose of detectie van pathogenen.
Om de mogelijkheden van nano-elektronica volledig te realiseren, moeten onderzoekers echter een aantal grote hindernissen nemen. Ten eerste moeten ze robuuste nano-elektronische componenten bouwen die net zo volledig, betrouwbaar en efficiënt functioneren als silicium - geen kleine taak, gezien de 50-jarige voorsprong van de halfgeleider. Afgelopen herfst heeft Bell Labs Hendrik Schn heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van dat doel door een moleculaire transistor te fabriceren die overeenkomt met zijn silicium-neven in één belangrijk kenmerk: versterking of versterking van de stroom terwijl deze door de transistor gaat. Zonder deze versterking vervaagt het elektrische signaal snel en kunnen meerdere apparaten niet samenwerken als complexe logische circuits. We kunnen met dit apparaat niet alleen schakelen maar de stroom versterken; daarom zijn deze transistors geschikt als bouwstenen van grotere circuits, zegt Schn.
Maar deze kleine proefstukken zijn slechts het halve werk, zegt Nobelprijswinnaar Richard Smalley, hoogleraar natuurkunde aan Rice. Men moet manieren kunnen ontwikkelen om de [stukken] uit eigen beweging te laten gaan waar u ze wilt hebben. Miljarden, zelfs biljoenen, moleculaire transistors zouden op een chip passen - veel te veel om één voor één te rangschikken. Mark Ratner, hoogleraar scheikunde aan de Northwestern University, voegt eraan toe: je wilt dat dit zo automatisch wordt dat elke idioot het kan.
Een van de meest veelbelovende benaderingen wordt zelfassemblage genoemd en verwijst naar de biologie. De natuur doet al geweldig werk door moleculen en andere componenten op nanoschaal in complexe patronen te assembleren, zegt Angela Belcher , een chemicus aan de Universiteit van Texas in Austin. Belcher kweekt meerdere generaties virussen en bacteriën en probeert eigenschappen te ontwikkelen zoals eiwithandvatten die zich zouden binden met koolstofnanobuisjes - pijpachtige moleculen die worden gewaardeerd om hun sterkte en elektrische eigenschappen - en ze afzetten in patronen die nuttig zijn voor nano-elektronica. Op deze manier leren hoe je nano-elektronica kunt laten groeien, kan even duren, zegt Belcher. Maar een functioneel nano-elektronisch apparaat lijkt een stuk dichterbij dan het een paar jaar geleden had moeten zijn.
Het is deze nieuwe belofte die heeft geleid tot de uitbarsting van startups in het veld. Veel VC's en investeerders zijn op zoek naar de volgende grote golven, zegt Steven Jurvetson, een durfkapitalist bij het in San Francisco gevestigde Draper Fisher Jurvetson en lid van de TR100 uit 1999. Nanotechnologie is een van de grote technologische kansen met een brede toepasbaarheid. Jurvetson telt in de portefeuille van zijn bedrijf drie nano-elektronicabedrijven. En zijn bedrijf is niet de enige. Volgens VentureSource investeerden durfkapitalisten in 2001 meer dan $ 100 miljoen in nanotech-gerelateerde startups. Maar, zegt Jurvetson, investeerders moeten oppassen. Het voorvoegsel nano' zou niet hetzelfde blinde enthousiasme moeten volgen als het achtervoegsel .com', zegt hij.
Op dit moment hoeven conventionele micro-elektronicabedrijven inderdaad niet bang te zijn. Maar de recente vooruitgang in nanotechnologie heeft veel onderzoekers ervan overtuigd dat ze een fundamenteel nieuwe technologie in handen hebben, een technologie die de mogelijkheden van elektronica enorm zal vergroten. Een belangrijk ding om te onthouden, zegt Rogers van Bell Labs, is dat de meest langverwachte toepassingen misschien niet degene zijn die uiteindelijk helpen de manier waarop mensen leven te veranderen. De mensen die de transistor hebben uitgevonden, hebben zich waarschijnlijk geen laptop voorgesteld, zegt hij. Het is gewoon moeilijk om op deze dingen te anticiperen.
Nano-elektronica staat nog in de kinderschoenen en onderzoekers als Schn en Tour erkennen vrijmoedig dat ze nog steeds niet zeker zijn waar het zijn eerste impact zal hebben. Maar men let nu in ieder geval op - en investeert zelfs in - de mogelijkheden.