211service.com
Nanoteknikens tillstånd
För tre år sedan, när kemisten James Tour från Rice University presenterade sin nanoteknologistart för investerare, hade han svårt att få någon att lyssna, trots hans meritlista som en av världens mest framgångsrika experter inom nanovetenskap. Idag säger Tour att samma investerare är alla öron. Efter att ha arbetat i det här området i 13 år och fått folk att säga: Det är en paj i himlen. Det kommer aldrig att fungera, det är glädjande att se lite validering från investeringsvärlden, säger han.
Att kalla det viss validering är milt uttryckt. Företaget Tour som grundades 1999, Molecular Electronics, var ett av de första som försökte kommersialisera vetenskapliga genombrott inom nanoelektronik. Men bara under det senaste året, med framstegen som kommit snabbare än nästan någon hade förutspått - och med plötsligt intresserade riskkapitalister - har dussintals nanoteknikföretag bildats, uppbackade av hundratals miljoner i investeringar.
Medan Molecular Electronics planerar att bygga datorminne med hjälp av enskilda molekyler för att lagra informationsbitar, siktar andra på ultrakänsliga biologiska sensorer, eller plattskärmar eller nanoskopiska lasrar. Gemensamt för dessa ansträngningar är en ambition att använda komponenter som bara är nanometer (miljarddelar av en meter) i storlek för att ersätta konventionell elektronik. Det har blivit galet det senaste året, säger Paul Weiss, kemist vid Pennsylvania State University. Vi är mycket längre än vi trodde att vi skulle vara för ett år sedan.
Nanoteknik kommer sannolikt att påverka stora sektorer av ekonomin, från bioteknik och hälsovård till energi. Men om forskare som Tour och Weiss har rätt, kommer den största påverkan från nanoelektroniken. För elektroniktillverkning är löftet mindre, snabbare och billigare produkter än vad konventionella metoder någonsin skulle kunna uppnå. Och framstegen har kommit med anmärkningsvärd hastighet. År 1998 kämpade forskare med att rigga upp en enda nanoelektronisk komponent: en molekyl som fungerade som en rudimentär switch. Forskarlag kopplar nu samman dussintals av dessa komponenter i nanoskala och ser till nästa steg: hur man sätter ihop hela enheter, som minneschips.
Idag har kiselmikrochips egenskaper så små som 130 nanometer. Men att fortsätta att krympa kiselchips blir dyrt och svårt. Vid någon tidpunkt kommer kisel att ta slut, säger John Rogers, chef för nanoteknologiforskning vid Lucent Technologies Bell Labs och medlem av 1999 TR100. Du kommer att behöva något annat. Något, säger Rogers, som transistorer lika stora som enstaka molekyler. Även om det fortfarande är minst ett decennium från kommersialiseringen, är chips byggda med dessa molekylära transistorer branschens bästa hopp för att bygga snabbare, billigare datorer långt in i detta århundrade.
Med den elektronik vi pratar om ska vi göra en dator som inte bara får plats i ditt armbandsur, inte bara i en knapp på din skjorta, utan i en av fibrerna i din skjorta, säger Philip Kuekes, en datorarkitekt på Hewlett-Packard Laboratories. Kuekes och hans kollegor designar kretsar baserade på vinkelräta uppsättningar av små ledningar, anslutna vid varje korsning av molekylära transistorer. I mitten av decenniet, säger Kuekes, kommer Hewlett-Packard att demonstrera en logikkrets ungefär lika kraftfull som kiselbaserade kretsar omkring 1969. Vi försöker återuppfinna den integrerade kretsen – med dess logik och minne och sammankopplingar – med en konsekvent molekylär tillverkningsprocess, säger Kuekes.
Långt innan den första skjorttrådda datorn startar upp kommer företagen att börja integrera nanoelektroniska komponenter, inklusive små kablar och ultratät datorminne, i konventionell kiselelektronik. Hewlett-Packard och Molecular Electronics, till exempel, planerar båda att ha prototypminnesenheter klara redan 2004. Enheter som lagrar lite data i en enda molekyl kan ge tusentals gånger mer lagringstäthet än det elektroniska minne som för närvarande används i datorer .
Forskare arbetar också med nanoelektronik för att utveckla nya biologiska och kemiska sensorer som inte är möjliga med konventionell teknik. University of California, Berkeley, kemisten Peidong Yang är en forskare som utvecklar sådana sensorer från nanotrådar av kisel. Yang förklarar att kontakt med en enda molekyl förändrar ledningarnas elektroniska tillstånd. Forskare kan mäta den förändringen för att identifiera okända molekyler i syfte att diagnostisera eller upptäcka patogener.
För att till fullo inse nanoelektronikens möjligheter måste forskarna dock undanröja flera stora hinder. För det första måste de bygga robusta nanoelektroniska komponenter som fungerar lika fullt, tillförlitligt och effektivt som kisel - ingen liten uppgift, med tanke på halvledarens 50-åriga försprång. I höstas, Bell Labs Hendrik Schn gjort betydande framsteg mot det målet genom att tillverka en molekylär transistor som matchar dess kiselkusiner i en nyckelkaraktär: förstärkning eller förstärkning av ström när den passerar genom transistorn. Utan denna förstärkning bleknar den elektriska signalen snabbt, och flera enheter kan inte fungera tillsammans som komplexa logiska kretsar. Vi kan inte bara växla med den här enheten utan förstärka strömmen; därför är dessa transistorer lämpade att vara byggstenar i större kretsar, säger Schn.
Men de här små provbitarna är bara halva striden, säger nobelpristagaren Richard Smalley, professor i fysik vid Rice. Man måste kunna utveckla sätt att få [bitarna] att gå av egen vilja dit du vill ha dem. Miljarder, till och med biljoner, av molekylära transistorer kan passa på ett chip - alldeles för många för att ordnas en efter en. Tillägger Mark Ratner, professor i kemi vid Northwestern University, Du vill att det här ska bli så automatiskt att vilken bozo som helst kan göra det.
En av de mest lovande metoderna kallas självmontering och lyssnar tillbaka till biologi. Naturen gör redan ett underbart jobb med att sätta samman molekyler och andra komponenter i nanoskala i komplexa mönster, säger Angela Belcher , en kemist vid University of Texas i Austin. Belcher odlar flera generationer av virus och bakterier och försöker utveckla egenskaper som proteinhandtag som skulle binda med kolnanorör - rörliknande molekyler som är uppskattade för sin styrka och elektriska egenskaper - och deponera dem i mönster som är användbara för nanoelektronik. Att lära sig hur man odlar nanoelektronik på detta sätt kan ta ett tag, säger Belcher. Men en funktionell nanoelektronisk enhet verkar mycket närmare än den var tänkt att vara för ett par år sedan.
Det är detta nya löfte som har utlöst utslagen av startups på området. Många riskkapitalbolag och investerare letar efter nästa stora vågor, säger Steven Jurvetson, en riskkapitalist på San Francisco-baserade Draper Fisher Jurvetson och medlem av 1999 TR100. Nanoteknik är en av de stora teknikmöjligheterna med bred tillämpbarhet. Jurvetson räknar i sitt företags portfölj tre nanoelektronikföretag. Och hans företag är inte ensamt. Enligt VentureSource investerade riskkapitalister över 100 miljoner dollar i nanoteknikrelaterade startups 2001. Men, säger Jurvetson, investerare bör akta sig. Prefixet nano' borde inte följa samma blinda entusiasm som .com-suffixet gjorde, säger han.
Faktum är att för tillfället har konventionella mikroelektronikföretag inget att vara rädd för. Men de senaste framstegen inom nanoteknik har många forskare övertygat om att de har en fundamentalt ny teknik på sina händer, en som avsevärt kommer att utöka elektronikens möjligheter. En viktig sak att komma ihåg, säger Bell Labs Rogers, är att de mest efterlängtade ansökningarna kanske inte är de som så småningom hjälper till att förändra hur människor lever. De som uppfann transistorn föreställde sig förmodligen inte en bärbar dator, säger han. Det är bara svårt att förutse dessa saker.
Nanoelektronik är mycket i sin linda, och forskare som Schn och Tour erkänner fritt att de fortfarande är osäkra på var den kommer att ha sin första inverkan. Men åtminstone uppmärksammar folk nu - och till och med investerar i - möjligheterna.