Hoe materiaalwetenschap de toekomst van de menselijke beschaving zal bepalen

Een van de buitengewone kenmerken van de micro-elektronica-revolutie is het vermogen om te schalen, een kenmerk dat wordt vastgelegd door de wet van Moore. Dat heeft geleid tot een snelle en enorme toename van de rekencapaciteit: de huidige topsmartphones hebben een rekenkracht die equivalent is aan de krachtigste supercomputers ter wereld uit het begin van de jaren negentig. De smartphones van morgen zullen nog krachtiger zijn.

Maar er is een probleem in het verschiet. Naarmate krachtige computers meer wijdverspreid worden, zal de hoeveelheid stroom die ze verbruiken toenemen. Als de exponentiële wet van Moore doorgaat, zullen elektronische apparaten binnen een paar decennia meer dan de helft van het energiebudget van de planeet verbruiken.

Dat is duidelijk onhoudbaar. Dus wat te doen?

De ferro-elektrische domeinstructuur van erbiummanganaat.

Vandaag krijgen we een soort antwoord van Nicola Spaldin, een materiaalwetenschapper aan de ETH Zürich, in Zwitserland. Spaldin stelt dat materiaalwetenschappers de planeet kunnen redden, en hun oplossing zal zijn in de vorm van een fundamentele doorbraak die de manier verandert waarop we denken over informatietechnologie en de manier waarop we die gebruiken. Ze maakt het argument - en wijst op een of twee mogelijke wegen voor deze doorbraak - in een zeer onderhoudende paper.

Spaldin begint met te laten zien hoe de menselijke beschaving is gevormd door doorbraken in de materiaalwetenschap. De ontdekking van composietmaterialen zoals vezels en hars stelde mensen in staat om messen aan stokken te bevestigen om messen en bijlen te maken.

De opmerkelijke ontdekking van smelttechnieken, waarschijnlijk in aardewerkovens uit het steentijdperk, leidde tot het brons- en ijzertijdperk. Dat veroorzaakte radicale veranderingen in de landbouw en leidde tot de vestiging van steden en zelfs landen. Metaaltechnologie leidde ook tot belangrijke veranderingen in wapentechnologie en uiteindelijk, zo'n 4.000 jaar later, tot de industriële revolutie.

Later leidde de ontdekking van het elektron tot de ontwikkeling van de vacuümbuis, de halfgeleidertransistor en tot micro-elektronica in het algemeen. Het ultrazuivere silicium dat nodig is voor moderne elektronica is in de Tweede Wereldoorlog in eerste instantie ontwikkeld voor hoogfrequente radarontvangers.

Elk van deze doorbraken in de materiaalwetenschap veranderde de wereld en de manier waarop we ermee omgaan. Maar geen van hen was gepland en veel van de manier van leven die eraan voorafging, ging verloren toen deze veranderingen plaatsvonden.

Spaldin stelt dat iets soortgelijks nodig zal zijn om de silicium-energiecrisis te overwinnen. We kunnen niet doorgaan met silicium, dus wat komt ervoor in de plaats?

Een mogelijkheid kan komen van Spaldins eigen onderzoek naar multiferroïsche materialen - materialen die zowel ferro-elektrische als ferromagnetische eigenschappen hebben. Gewoonlijk is de enige manier om de magnetische eigenschappen van een materiaal te veranderen met een magnetisch veld. Maar Spaldin en anderen hebben laten zien hoe de magnetische eigenschappen van multiferroics kunnen worden veranderd met elektrische velden.

Dat heeft belangrijke implicaties. Veel informatieverwerking en opslag op basis van silicium is afhankelijk van magnetische eigenschappen die moeten worden gemanipuleerd met magnetische velden. Het vermogen om dat efficiënter te doen met elektrische velden is potentieel transformerend. Het vervangen van de magnetische velden in onze bestaande op magnetisme gebaseerde technologieën door elektrische velden biedt enorme kansen voor energiebesparing, miniaturisatie en efficiëntie, zegt ze.

Multiferroics hebben andere nuttige eigenschappen. Binnen deze materialen kunnen ferro-elektrische dipolen in verschillende richtingen worden uitgelijnd. Dipolen die op één lijn liggen, vormen regio's die domeinen worden genoemd en de grenzen tussen deze domeinen blijken interessant te zijn.

Spaldin zegt dat deze grenzen geleidende kanalen vormen die kunnen worden verplaatst en herschikt met behulp van elektrische velden. Dit heeft potentiële toepassing in nieuwe geheugen- of informatieverwerkingsarchitecturen, zegt ze.

Het oppervlak van deze multiferroïsche materialen heeft ook merkwaardige elektronische eigenschappen die kunnen worden gemanipuleerd om reacties zoals watersplitsing te katalyseren.

Onze nieuwe multiferroïsche materialen zijn klaar om nieuwe apparaatparadigma's mogelijk te maken, en op hun beurt geheel nieuwe manieren om technologieën te ontwerpen, zegt ze. Misschien staan ​​we op het punt een nieuw multiferroïsch tijdperk in te gaan?

Voorbij zou onze afhankelijkheid van silicium zijn en in plaats daarvan zullen we afhankelijk zijn van een industrie die erbiummanganaat of yttriummanganaat of bismutferriet produceert en een nieuwe generatie zeer energiezuinige informatieverwerkende apparaten.

Spaldin houdt haar adem niet in. Er zijn veel factoren die de toekomst van technologie bepalen en er is geen manier om te voorspellen hoe ze zullen uitpakken. Multiferroics is een mogelijkheid, maar er zijn er zeker nog veel meer.

En dit is haar belangrijkste punt. Die geschiedenis laat duidelijk zien dat de toekomst op lange termijn nooit een eenvoudige extrapolatie van vandaag is. In plaats daarvan veranderen ontwrichtende ideeën de wereld. En de sleutel is om een ​​omgeving te creëren waarin deze verstoring kan plaatsvinden.

Het idee dat materiaalwetenschappers deze revolutie zullen creëren, is echter enigszins ironisch. Het zullen natuurlijk natuurkundigen zijn die het belangrijke werk doen (hoesten).

Ze sluit haar betoog af met een hartstochtelijk pleidooi voor overheden, financiers en universiteitsbestuurders.

De echte doorbraken die de loop van de geschiedenis zullen veranderen, zullen niet komen van initiatieven om bestaande materialen of apparaten te verbeteren, of om technologieën die al zijn geïdentificeerd vooruit te helpen, zegt ze. In plaats daarvan zullen ze afkomstig zijn van ongebruikelijke individuen of kleine teams van fundamentele onderzoekers die de grenzen van kennis verleggen in richtingen waarvoor er nog geen toepassing is.

Met andere woorden, fundamenteel onderzoek zal zijn vruchten afwerpen in zilveren dollars - als het zorgvuldig wordt gekoesterd.

Referentie: arxiv.org/abs/1708.01325 : Fundamenteel materiaalonderzoek en de loop van de menselijke beschaving

zich verstoppen