Moleculaire Informatica

Voor Mark Reed is de toekomst van moleculaire elektronica net aangebroken. Reed, een zelf-beschreven apparaatman, die aan het hoofd staat van de afdeling elektrotechniek van Yale University, gaat er prat op een uitgesproken praktische neiging te hebben. Vraag hem naar de mogelijkheid om ooit moleculen te gebruiken om silicium te vervangen in computers die miljarden keren sneller zijn dan de huidige pc's of die op een speld passen, en hij trekt een grimas. Ik weet niet hoe ik dat moet doen. Ik denk niet dat iemand dat doet, zegt hij afwijzend.

Maar dat doet niets af aan de opwinding die Reed, een vooraanstaand onderzoeker in moleculaire elektronica, voelt. Met behulp van moleculen die zijn gesynthetiseerd door de chemicus James Tour van Rice University, heeft Reed elektronische herinneringen en een eenvoudig logisch element gefabriceerd dat bestaat uit moleculen die functioneren als kleine, individuele schakelaars. De apparaten, die afhankelijk zijn van kleine organische moleculen die door de Rice-chemici zijn aangepast om precies de juiste elektronische eigenschappen te hebben, zijn ruwe laboratoriumexperimenten. Maar ze werken - de moleculen fungeren als een component in ultrakleine elektronische apparaten die stroom aan en uit kunnen zetten. Bovendien hebben deze vroege prototypes al hints getoond voor het uitvoeren van geheugen- en logische trucs die niet mogelijk zijn met siliciumhalfgeleiders.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2000

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Het meest indrukwekkend, zegt Reed, is dat de moleculaire apparaten verbazingwekkend eenvoudig en mogelijk goedkoop te maken zijn. Je doopt gewoon een siliciumwafeltje met metalen elektroden in een beker gevuld met de juiste chemicaliën en geeft de moleculen een paar minuten om zich op de elektroden te vormen. Als je slim genoeg bent met de chemie, is het mogelijk om de moleculen over te halen om zich spontaan op de elektroden te oriënteren. Het werkt prachtig - en het werkt elke keer, zegt Reed.

Het kan elke keer werken, maar er is veel controverse over wat deze chemische reacties ooit zullen zijn. Terwijl echte gelovigen zich een wereld voorstellen waarin microscopisch kleine moleculaire computers gemaakt tegen lage kosten opmerkelijke berekeningen uitvoeren, denken sceptici dat het veld de echte wereld van technische limieten uit het oog heeft verloren. Ondertussen denken apparaatjongens zoals Reed dat de toekomst - in de vorm van werkbare prototypes die kunnen worden geïntegreerd met conventionele siliciumtechnologie - nu is.

Het belangrijkste voordeel van moleculair computergebruik is het potentieel om veel meer circuits op een microchip te plaatsen dan silicium ooit zal kunnen - en om het goedkoop te doen. Halfgeleidermakers kunnen nu ongeveer 28 miljoen transistors op een chip proppen door de kleinste kenmerken van de transistors te verkleinen tot ongeveer 180 nanometer (miljardste van een meter). Met conventionele methoden voor het maken van chips geldt echter dat hoe kleiner u een functie maakt, hoe duurder en moeilijker het proces wordt. Veel halfgeleiderexperts betwijfelen of commerciële fabricagemethoden siliciumtransistors economisch veel kleiner dan 100 nanometer kunnen maken. En zelfs als chipmakers een redelijke manier zouden kunnen bedenken om ze op een chip te etsen, zouden ultrakleine siliciumcomponenten waarschijnlijk niet werken: bij transistorafmetingen van ongeveer 50 nanometer beginnen de elektronen vreemde kwantumwetten te gehoorzamen, dwalen waar ze zijn niet hoort te zijn.

Moleculen daarentegen zijn slechts enkele nanometers groot, waardoor chips mogelijk zijn die miljarden, zelfs biljoenen schakelaars en componenten bevatten. In eerste experimenten hebben wetenschappers een groot aantal moleculen tussen metalen elektroden geklemd. De apparaten werken echter omdat elk molecuul als een schakelaar werkt. Als het mogelijk zou zijn om een ​​klein aantal moleculen met elkaar te verbinden als individuele elektronische componenten om circuits te vormen, zou het resultaat alles in computerontwerp veranderen. Moleculaire herinneringen zouden een miljoen keer de opslagdichtheid kunnen hebben van de beste halfgeleiderchips van vandaag, waardoor het mogelijk wordt om de ervaringen van je leven op te slaan in een gadget ter grootte van een polshorloge. Supercomputers kunnen klein genoeg en goedkoop genoeg zijn om in kleding te verwerken. De zorgen dat de computertechnologie binnenkort een muur zal raken, zou verdwijnen.

Die toepassingen zijn tientallen jaren uit - als ze ooit uitkomen. Toch stelt Reed dat sommige toepassingen van moleculaire elektronica binnenkort haalbaar kunnen zijn. Ultrakleine, goedkope moleculaire apparaten zouden naast silicium kunnen zitten, waardoor het aantal transistors en het vermogen dat nodig is voor het circuit wordt verminderd. Dit is iets dat je vandaag zou kunnen gebruiken, iets dat je zou kunnen verkopen in Radio Shack, zegt Reed. Dit heeft een kans om de economie van silicium totaal te veranderen.

Om dat te realiseren, hebben Reed, Tour en chemici van de Pennsylvania State University mede-oprichter van een startup genaamd Molecular Electronics. De groep wil niet zeggen wat de eerste producten zullen zijn, maar Tour zegt dat het niet onrealistisch lijkt om over een paar jaar een werkend systeem te hebben.

Tot voor kort leek die voorspelling vergezocht. Maar in het afgelopen jaar heeft het veld een sprong gemaakt van de theorie naar het rijk van de praktijk. Net als hun concurrenten bij Yale en Rice, heeft een samenwerking aan de westkust van chemici en computerwetenschappers van Hewlett-Packard en de University of California, Los Angeles, onlangs moleculen gekarakteriseerd die kunnen fungeren als elektronische schakelaars en geheugen (zie vorige uitgave: Computing After Silicon , TR september/oktober 1999). R. Stanley Williams, hoofd van de inspanning bij HP, zegt dat zijn team verwacht binnen 18 maanden een prototype te bouwen van een logisch circuit dat een klein aantal moleculaire apparaten op nanoschaal integreert. We hebben de schakelaars en draden - de componenten om echt nanocircuits te maken, zegt Williams.

Het recept

In theorie is het assembleren van een moleculair elektronisch apparaat in ieder geval eenvoudig. In de versie van het recept waar de HP/UCLA-samenwerking de voorkeur aan geeft, maken de wetenschappers eerst een enkele monolaag van de juiste organische moleculen in een chemisch apparaat dat een Langmuir-trog wordt genoemd; ze dopen vervolgens een siliciumsubstraat bedekt met een patroon van metalen elektroden in de trog. Als de chemie precies goed is, zullen de moleculen zich binden aan de metalen elektroden en zich netjes oriënteren. Een tweede set elektroden wordt vervolgens op de moleculen afgezet; het resultaat is een monolaag van de organische moleculen ingeklemd tussen metalen elektroden.

De uitdaging is dat de meeste organische moleculen helemaal geen elektrische geleiders zijn, laat staan ​​dat ze de elektronische eigenschappen hebben waardoor ze als een effectieve schakelaar werken. Wat nodig is om het systeem elektronisch te laten functioneren, zijn speciaal op maat gemaakte moleculen die herhaaldelijk op een betrouwbare en detecteerbare manier worden in- en uitgeschakeld (de eigenschappen die silicium zo succesvol hebben gemaakt). Het bedenken van moleculen die het kunnen, is het domein van scheikundige tovenaars zoals Rice's Tour en UCLA's James Heath en Fraser Stoddart.

Hun tovenarij begon afgelopen herfst grote vruchten af ​​te werpen. Ten eerste publiceerde de HP/UCLA-groep een paper waarin wordt beschreven wat in feite een moleculaire zekering is - een eenmalige schakelaar op basis van een complex, haltervormig organisch molecuul genaamd rotaxaan; de wetenschappers hebben vervolgens omkeerbare schakelaars gemaakt. Ze lieten ook zien hoe het apparaat eenvoudige logische en geheugenfuncties kon uitvoeren. Binnen enkele maanden wedijverde de Yale/Rice-samenwerking met die prestatie door de synthese te beschrijven van andere organische moleculen die als elektronische apparaten fungeren.

Ondanks de verschillen in moleculaire bijzonderheden, profiteren de twee onderzoeksgroepen van dezelfde kwantumeffecten die uiteindelijk fundamentele limieten kunnen stellen aan siliciumhalfgeleiders. De moleculen die de twee elektroden scheiden, zouden normaal gesproken de stroomstroom blokkeren. In de nanowereld van individuele moleculen kunnen elektronen echter tunnelen door een barrière die volgens de klassieke fysica hun pad zou moeten blokkeren. Door een spanning te manipuleren die over de elektroden wordt geplaatst, kunnen de wetenschappers de tunnelsnelheid aanpassen en zo de stroom in- of uitschakelen.

Reed is al gaan nadenken over manieren om moleculaire apparaten te gebruiken in combinatie met conventioneel silicium. Een type kwantumlogische poort dat Reed onlangs heeft gebouwd, zou bijvoorbeeld dezelfde gespecialiseerde functie vervullen als zeven veel grotere siliciumtransistors, waardoor de omvang en het stroomverbruik van een geïntegreerd circuit aanzienlijk worden verminderd. En hoewel het vervaardigen van conventionele transistors complexe en dure bewerkingen vereist, kan het moleculaire apparaat op het circuit worden gelijmd, zegt Reed.

Moleculen kunnen ook ultragoedkoop elektronisch geheugen bieden met enkele aantrekkelijke eigenschappen. Het meest voorkomende type halfgeleidergeheugen wordt DRAM genoemd, voor dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen. (Dit is het kortetermijngeheugen waarop uw computer vertrouwt wanneer er een programma wordt uitgevoerd.) Het probleem met DRAM is dat de opgeslagen informatie verdampt wanneer de stroom wordt uitgeschakeld - het is vluchtig. Dat is de reden waarom u Windows elke keer dat u uw computer aanzet, moet opstarten en het programma van uw harde schijf naar de DRAM-chips moet verplaatsen. Maar een experimenteel moleculair apparaat dat Reed afgelopen herfst maakte, houdt gegevens meer dan 10 minuten vast nadat de stroom is uitgeschakeld. Stel dat we dat tot enkele jaren kunnen krijgen, zegt Reed. Het zou in wezen niet-vluchtig geheugen zijn. Stel je voor hoe vaak je Windows niet hoeft op te starten.

Hoewel deze vroege toepassingen werelden verwijderd zijn van de moleculaire computers met miljarden transistoren die enthousiastelingen zich voorstellen, zouden ze de waarde van organische moleculen als elektronisch materiaal kunnen aantonen. Ze zijn de neus van een kameel onder de tent, zegt Reed, eraan toevoegend dat deze hybride apparaten al heel realistisch zijn. Ze zijn de eerste stap op weg naar meer complexe [moleculaire] circuits.

Het wordt echter waarschijnlijk een lange weg. Zelfs een simpele computer gemaakt van moleculaire componenten is minstens een decennium verwijderd - en dan alleen als we echt slim worden, erkent Williams. Maar de HP-chemicus zegt dat zijn groep al onderweg is. In hun eerste prototypes hebben de Californische onderzoekers de bovenste en onderste metalen draden gefabriceerd als loodrechte roosters, waardoor een dwarsbalkstructuur is ontstaan ​​​​met de moleculen op de kruispunten van de draden. Tot nu toe heeft de groep apparaten gemaakt met metalen contacten met een diameter van duizenden nanometers; er zijn miljoenen moleculen op elke kruising. Maar Williams zegt dat de groep tegen later dit jaar draden verwacht van enkele nanometers breed. Het had geen zin om meteen alles hard te doen. Dus gebruikten we veel grotere draden. Nu doen we de experimenten om over te schakelen naar kleinere draden en de metingen te doen.

De bijna perfecte kandidaten voor zulke kleine draadjes zijn structuren die bekend staan ​​als koolstofnanobuisjes. Deze regelmatig gevormde buizen, met een diameter van slechts enkele nanometers, zouden uitstekende leidingen kunnen zijn voor elektronen die door een moleculair circuit razen. Het probleem is dat nanobuisjes de neiging hebben zich te vormen als een verwarde puinhoop, ver verwijderd van de netjes geordende arrays die nodig zijn om complexe circuits te fabriceren. Het bouwen van structuren met nanobuisjes is nu een kunstvorm, zegt natuurkundige Paul McEuen van de University of California, Berkeley. We gooien ze in feite op de grond en zoeken naar [de structuur] die we willen.

De HP/UCLA-groep is ervan overtuigd dat ze het bedradingsprobleem zullen oplossen. Uiteindelijk zullen nanobuisjes worden gebruikt. Hun elektronische en fysieke eigenschappen zijn zo wenselijk, zegt Williams. Voorlopig, zegt hij, werkt de groep ook aan silicium nanodraden. En, belooft Williams, met of zonder koolstofnanobuisjes, tegen het einde van de zomer zullen de wetenschappers de knooppunten van apparaten verkleinen tot kleiner dan 10 nanometer. De doelen op korte termijn zijn een 16-bits geheugen dat 100 nanometer aan een kant is, en kort daarna een logisch apparaat van vergelijkbare grootte. Deze rudimentaire circuits vormen misschien geen bedreiging voor de heerschappij van silicium, maar ze kunnen een mijlpaal zijn om te helpen bewijzen dat moleculaire elektronica haalbaar is.

Maar dan komt het echt ontmoedigende deel: deze eenvoudige apparaten veranderen in complexe logische circuits en ze integreren in een echte computer. Een van de boetes die u betaalt voor het maken van micro-elektronica op basis van chemie, is dat, in tegenstelling tot siliciumchips die worden gemaakt in hightech fabrieken, moleculaire apparaten die worden gesynthetiseerd in vaten met chemicaliën inherent vol defecten zullen zijn. Op de schaal van individuele moleculen wordt chemie gegeven aan statistische fluctuaties - soms werkt het en soms niet. Maar het is hier dat de HP/UCLA-wetenschappers beweren dat ze hun belangrijkste doorbraak hebben bereikt.

Hun antwoord: software die de gebreken oplost. Enkele jaren geleden bouwden computerwetenschappers bij HP een supercomputer genaamd Teramac, gebruikmakend van defecte siliciumchips die zo gebrekkig waren dat ze als waardeloos werden beschouwd. De HP-wetenschappers hebben deze afgekeurde chips in een computer gestopt door een crossbar-architectuur te ontwikkelen die het mogelijk maakt om elke input met elke output te verbinden. Nadat de hardware was gebouwd, werd de computer geprogrammeerd om eventuele defecten te identificeren en te omzeilen. Het systeem werkte - en zijn enorme parallellisme leverde een archetype op dat de Californische wetenschappers van plan zijn te gebruiken voor hun moleculaire computer.

Een chemicus die op een computer werkt, is een bizar iets. Je kunt niet naar een chemicus gaan en hen vragen een computer te bouwen, zegt Heath, een van de UCLA-wetenschappers die helpt bij het synthetiseren van de benodigde componenten. Maar, zegt hij, de Teramac-architectuur heeft de HP/UCLA-groep een duidelijk omschreven doelwit opgeleverd. De software maakt er een machine van, zegt Heath. Die moleculaire computer is misschien nog ver weg, erkent hij. Maar er is geen reden waarom het niet zou werken.

De wereld tussen

Terwijl mensen zoals Heath optimistisch zijn, heeft de technologie zijn deel van twijfelaars. Het vakgebied van de moleculaire elektronica is verliefd op zichzelf, zegt Rick Lytel, een computerwetenschapper bij Sun Microsystems. Ondanks zijn scepsis houdt Lytel het veld voor Sun scherp in de gaten en ontwikkelt hij specificaties voor het testen en evalueren van prototypen van moleculaire apparaten. Hij gelooft dat moleculaire elektronica uiteindelijk gebruikt kan worden als geheugenapparaat. Maar Lytel zegt dat veel van zijn collega's in het veld zichzelf hebben misleid door te denken dat ze slechts een stap verwijderd zijn van de markt.

Zelfs gelovigen in de vooruitzichten van moleculaire elektronica zijn het oneens over de rol die de technologie zal spelen in berekeningen en elektronica. Neem Mark Ratner, een chemicus aan de Northwestern University die algemeen wordt beschouwd als een van de grootvaders van het vakgebied. Ratner betwijfelt of moleculen ooit rechtstreeks zullen concurreren met silicium in complexe rekentaken. Je wilt moleculen gebruiken waar ze het beste in zijn en compenseren waar silicium tekortschiet, zegt Ratner. Hij wijst in het bijzonder op hun vermogen om andere moleculen te herkennen en erop te reageren. Door die functies te combineren met de nieuw ontwikkelde elektronische eigenschappen, zou je kleine sensoren en actuatoren kunnen maken die biologische en chemische aanwijzingen detecteren en er intelligent op reageren. Het zou, zegt Ratner, implanteerbare biochips mogelijk kunnen maken met sensoren en actuatoren gemaakt van moleculaire elektronica die de behoeften van het lichaam detecteren en reageren door een geschikte dosis medicatie af te geven.

Voor deze pionier van moleculaire elektronica zou het ware potentieel van het veld kunnen worden gerealiseerd door de wereld van micro-elektronica samen te brengen met de wereld van biologie en moleculen. Moleculaire elektronica, suggereert Ratner, zou het puzzelstukje kunnen zijn dat uiteindelijk helpt om de materiële kloof tussen biologie en informatica te overbruggen.

Moleculaire Sampler Organisatie Sleutelonderzoekers Focus TU Delft Cees Dekker Koolstofnanobuisjes gebruiken als nanodraden en elektronische apparaten; heeft een transistor gebouwd uit een enkele nanobuis Harvard University Charles Lieber Arrays van koolstofnanobuisjes synthetiseren die zowel als draden als elektronische apparaten kunnen fungeren Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Chemisch samenstellen van arrays van herconfigureerbare schakelaars voor geheugen en logica; doel is het bouwen van een moleculaire computer IBM Research Phaedon Avouris De eigenschappen van nanobuisjes bestuderen; heeft een transistor gemaakt van een enkele nanobuis Rice University James Tour Ontwikkelen van een zelf-geassembleerde computer met een sterk onderling verbonden netwerk van logica en geheugen; heeft moleculen met gewenste eigenschappen gesynthetiseerd Universiteit van Colorado Josef Michl Een moleculaire computer bouwen; heeft geschikte moleculen en korte draden gemaakt Yale University Mark Reed Samenwerken met Rice University om een ​​moleculaire computer te bouwen; heeft moleculaire schakelaars en geheugenapparaten gefabriceerd

zich verstoppen